AKIŞKANLAR MEKANİĞİ

1. AKIŞKANLAR MEKANİĞİ BÖLÜM 4 BİR BOYUTLU AKIMLARIN TEMEL DENKLEMLERİ Ercan Kahya Hidrolik. B.M. Sümer, İ.Ünsal, M. Bayazıt, Birsen Yayınevi, 2007, İstanbul Akışkanlar Mekaniği, Salih Kırkgöz, Kare Yayınları, 2009, Istanbul

2. 4.1. SÜREKLİLİK DENKLEMİ • Akım borusunun 1-1 kesitindeki kesit alanı dA1, 2-2 kesitindeki kesit alanı dA2 olsun. Bu şekilde alınan 1221 hacmine kontrol hacmi denir. • Kütlenin korunumu ilkesine göre: • t anında akışkanın kütlesi = t + dt anında akışkanın kütlesi

3. t anındaki akışkanın kütlesi: t + dt anındaki akışkanın kütlesi: Yukarıdaki 3 denklemden: Sıkışabilen akışkanlar için süreklilik denklemi:

4. 4.2. ENERJİ DENKLEMİ

5. t anında sistemin enerjisi:

6. t + dt anında sistemin enerjisi:

7. Yukarıdaki denklem ancak bir akım çizgisi boyunca geçerlidir.

8. 4.3. İMPULS-MOMENTUM DENKLEMİ Momentumun korunumu denklemi (Newton'un ikinci denklemi): t anında sistemin momentumu:

9. t + dt anında sistemin momentumu: dt zamanı zarfında sistemin momentumundaki değişim: Akım zamanla değişmediğine göre;

10. Bu denklem, impuls-momentum denklemidir.

11. BÖLÜM 5 İDEAL AKIŞKANLARIN BİR BOYUTLU AKIMLARI

12. İdeal akışkan, sürtünmesizdir → ideal akışkanın viskozitesi sıfırdır. Önceki bölümde çıkardığımız temel denklemleri, ideal bir akışkanın sonlu kesitli bir akım borusundaki akımı için yazmaya çalışalım: Sonlu kesitli akım borusu (hakiki bir boru, bir kanal veya bir akarsu):

13. 5.1. SÜREKLİLİK DENKLEMİ İdeal akışkanda sürtünme olmadığına göre, hız, kesit içerisinde değişmez, her noktada aynıdır.

14. Debi Tanımı Şekilde 1-1 kesitinden birim zamanda geçen akışkanın hacmi: 1- 1 ve 2-2 kesitleri, akım borusunun herhangi iki kesiti olduğuna göre, seçilen her kesitte Hız x Kesit Alanı daima sabittir ve bu büyüklüğüne debi denir. Yani bir kesitten birim zamanda geçen akışkan hacmidir. Q nun birimi: [Q] =m3/s ya da lt/s

15. 5.2. ENERJİ DENKLEMİ İdeal akışkanın akımda bir enerji kaybı yoktur. Buna göre, enerji denklemi: İdeal akışkanın akımında hız, kesit içerisinde değişmez. Yani Bernoulli denklemi

16. Bernoulli Denkleminin GrafikselOlarak Temsili

17. Bernoulli Denkleminde Enerji Kaybı Denklemdeki enerji kayıp yüksekliği, sürtünmelerle ısıya dönüşerek sistemden çıkan kayıp enerji yüksekliğini göstermektedir.

18. Enerji ilavesi ve Çıkarılması Halinde BernoulliDenklemi Pompalarakıma enerji veren ve türbinlerde akımdan enerji alan makineleridir. Burada pompa tarafından akıma verilen ve türbin tarafından akımdan alınan hidrolik güç aşağıdaki gibidir:

19. 5.2.2. Bernouilli Denkleminin Pratikteki Uygulamaları Venturi Ölçeği Bir boru içerisindeki akımın debisini ölçmeye yarayan bir sistemdir. Çalışma ilkesi Bernoulli denklemine dayanır. Sağdaki boruda a-a seviyesindeki basınç: Soldaki boruda a-a seviyesindeki basınç:

20. Süreklilik denklemi: ► Akışkanın gerçek akışkan olması (1-1 ve 2-2 kesitleri arasında bir enerji kaybının bulunması), bulunan denklemine bir Cd katsayısının ithali ile göz önüne alınır: ► Cd katsayısına debi katsayısı denir. Bu katsayı 1 e çok yakın fakat 1 den küçük bir sayıdır.

21. Bir Kabın Dibindeki Delikten Akış Kabın içindeki sıvı seviyesi sabit tutulsun ve enerji kaybı ihmal edilsin. → ideal akışkan → Bernoulli Denklemi geçerlidir. V1 =0 (çünkü sıvı seviyesi sabit tutulmaktadır) ► Toricelli bağıntısı Sürtünme etkisi dolayısı:

22. Kabarma Basıncı ■ 1-2 yakın noktalar → enerji kaybı ihmal edilebilir. Tam 2 noktasında hız sıfırdır: V2 = 0

23. Pitot Borusu ► 1 ve 2 noktaları arasındaki diferansiyel manometre denkleminden aşağıdaki gibi elde edilir:

24. Sifon akımı

25. 5.3. İMPULS-MOMENTUM DENKLEMİ

26. 5.3.2. Impuls-Momentum Denkleminin Pratikteki Uygulamaları Bir Boru Dirseğine Gelen Kuvvet - Boru-dirsek sisteminin yatayda bulunsun - Akışkan ideal akışkan → dirsek cidarında sürtünme gerilmeleri oluşmaz

27. Özel hal: Boru kesiti değişmiyorsa: Aı =A2 =A Süreklilik denklemi: Bernoulli denklemi: Eğera =90° olursa:

28. Su Jeti ve Bir Kanat Üzerine Yaptığı Etki • ■ Yüksek hızlı su demetine su jeti denir (itfaiye hortumunun ağzından çıkan su) • - Yatayda eğrisel bir kanata su jetinin çarptığı zaman kanata gelen kuvvet ? • Sistem tamamen atmosfere açık → 1221 hacminin yüzeylerine etkiyen atmosfer basıncının bileşkesi sıfır. • - Tek kuvvet: kanatın 1221 hacmine tesir ettirdiği R reaksiyon kuvveti

29. 1-1 ve 2-2 kesitleri için Bernoulli denklemi:

30. ■ Eğer kanat, x yönünde bir u hızı ile ilerliyor ise, kanat üzerinde bulunan bir gözleyiciye göre, akım zamanla değişmeyen bir akım olacaktır. ► O halde biraz önce bulunan sonuçlarda V gördüğümüz yere V-u rölatif hızını koyarak: Buna göre kanata gelen kuvvet şiddet ve yönü

31. Impuls Türbini (Pelton Türbini) α = 180° → Rx en büyük olur. Not: Şeklin simetrisinden, bu halde kanata gelen Ry kuvveti sıfır olmalıdır. ■ Yarım ay şeklindeki kanattan iki tane olması durumunda: • Böyle bir kanatın her bir parçasına giren ve çıkan debi, şeklin simetrisinden Q/2 dir. • - İki parçaya birden (tüm kanata) gelen kuvvet:

32. Pelton Türbini: Kepçeye etkiyen kuvvet ile, kepçe hızı u nun çarpımı bize birim zamanda jetten türbine transfer edilen enerjiyi (gücü) verecektir: Gücü en büyük yapan kepçe hızı nedir? ► Eğer kepçe açısı 180° & türbininin çevresel hızı jet hızının yarısı kadar ise, jetin tüm enerjisi, teorik olarak, %100 bir verim ile türbine transfer edilir. ► Pratikte kepçe açıları, 165° civarındadır; türbinin çevresel hızı jet hızının %48 i civarında tutulursa → en fazla %90 a kadar bir verim

33. BÖLÜM 6 GERÇEK AKIŞKANLARIN BİR BOYUTLU AKIMLARI

34. 6.1. SÜREKLİLİK DENKLEMİ 1-1 kesitinde dAı alanından geçen debi u1 dAı dir: toplam kesit alanından geçen debi ise:

35. ■ Şimdi, 1-1 kesiti için bir V1 hızı tanımlayalım; öyle ki bu V1 hızı ile kesit alanını çarptığımız zaman bize Q debisini versin: V1 : Hızın kesit üzerinde alınmış ortalaması Süreklilik Denklemi:

36. 6.2. ENERJİ DENKLEMİ Önce şu Akım çizgilerinin düzgün ve birbirine paralel olması halinde toplamı bir kesit içerisinde bir konumdan diğerine değişmez sabittir. ► Akım çizgilerinin düzgün ve birbirine paralel olması halinde parçanın an ivmesi sıfır olur.

37. Şimdi Bölüm 4 de türetilen 4.9 enerji denkleminebakalım ve bu denklemin her iki tarafının integralini alalım (yukarıdaki prensibi de kulanırsak): Düzeltme faktörü α boyutsuz büyüklükleri tanımlayalım:

38. Enerji denklemi: α: 1 den büyük olmakla beraber, hız dağılımına bağlı olarak 1’e yakın değerler alır.

39. 6.3. İMPULS-MOMENTUM DENKLEMİ İdeal akışkanın akımı için bulunan impuls-momentum denklemi, gerçek akışkanın akımı için aşağıdaki şekilde elde edilir:

40. 6.4. LAMİNER AKIM VE TÜRBÜLANSLI AKIM Bir boru içerisindeki akımın hızını ölçersek:

41. Acaba akım ne zaman laminer, ne zaman türbülanslıdır? Bu kriteri şu şekilde elde etmiştir:

42. 6.4.3. Türbülansın Yarattığı Sürtünme ve Türbülans Viskozitesi Türbülansın Yarattığı Sürtünme ■ Akışkanın laminer hareketinde: ■ Akışkanın türbülanslı hareketinde: (1) akışkanın viskoz olması → yukarıdaki kayma gerilmeleri (2) türbülanslı hareket → akım tabakaları arasında sürtünme

43. Bunun için, önce, "ortalama" tanımına ihtiyacımız vardır. ■ Hızın ortalama değeri: ■ Herhangi bir t anındaki u değeri: ■ Radyal doğrultudaki hız bileşeni: ■ Ayrıca şu bağıntılar da geçerlidir:

44. Şimdi şekilde gösterilen boru içerisindeki akıma bakalım. ► (ρ v dx dz) u büyüklüğü: Birim zamanda dx . dz yüzeyinden geçen akışkanın x-doğrultusundaki momentumudur. Yani birim zamanda y-konumunda bulunan akışkanın momentumuna bu kadarlık bir momentum ilave edilmiştir.

45. ►Newton'un ikinci denklemi → momentumdaki budeğişim bir kuvvet meydana getirir. ■ Birim yüzey alanına gelen kuvvet (kayma gerilmesi): Ortalama kayma gerilmesi:

46. Sonuç olarak, türbülanslı bir akımda oluşan sürtünme (kayma) gerilmesi: ÖNEMLİ NOTLAR: ● Türbülanslı akımlarda, akımı çevreleyen katı cidarın yakın civarı hariç hemen her yerde A terimi, B terimi yanında çok küçük kalmaktadır. ● Bir boru akımında, zamanın büyük bir kısmında - cidardan boru eksenine doğru yol alan akışkan için - eksenden cidara doğru yol alan akışkan için - dolayısı ile u'v' çarpımı zamanın büyük bir kısmında negatif olacağından, ortalaması negatif olur. - Yani

47. Türbülans Viskozitesi ■ Türbülansın yarattığı sürtünme gerilmesini, akışkanın viskoz olması dolayısı ile yaratılan sürtünme gerilmesine benzetirsek: ■ Gazların kinetik teorisine analoji yaparsak l: Karışım uzunluğu (akışkan parçasının kişiliğini kaybedinceye kadar aldığı yolun cidara dik doğrultudaki bileşeni) V: Türbülansı temsil eden hız

48. Türbülans Viskozitesi Deneyler ve bazı fiziksel düşünceler, cidar yakınlarında: = 0.4 y ■ Türbülans viskozitesi bu denklem yardımı ile hesaplanır. ■ Türbülansın yarattığı sürtünme gerilmesi (Reynolds gerilmesi) →yukarıdaki denklemler yardımı ile hesaplanır.