şükela:  tümü | bugün
  • akış ayrılması* katı bir yüzey üzerinde sınır tabaka geliştiren bir akışın, geometri ya da dışsalllıklar sonucu pozitif basınç gradyanına* maruz kalması nedeniyle yüzeyde tutunamayarak kopmasına denir. laminer ve çalkantılı olmak üzere iki farklı akış ayrılması mevcuttur.

    1) laminer akış ayrılması: laminer sınır tabakanın başladığı noktada, sınır tabaka kalınlığı akış ilerledikçe, artmaya başlar. yani sınır tabaka dışındaki serbest akış bir yandan pozitif basınç gradyanı nedeniyle düşerken, artan sınır tabaka kalınlığı nedeniyle de sınır tabakanın yüzeye yakın bölgesinde akışkanın kinetik enerjisi düşmeye başlar. bu düşüş sonunda basınç gradyanına karşı koyamayacak hale geldiğindeyse akış ayrılması gerçekleşir. yani ayrılmasının gerçekleştiği noktada hız önce sıfıra eşit olur, devamındaysa geriye doğru akmaya* başlar.

    hız profilini dik eksende çizecek olursanız, laminer sınır tabakada kaldığınız sürece geri akış* büyümeye devam eder. yani geri akışın büyüyerek dik eksende kapladığı alan artar. geri akışın toplam kütle debisinin birincil hız profiline eşit olduğu bölgede, sıkıştırılamaz akış için net kütle debisi sıfırdır. öyle ki aslında, bu akış çifti o bölgede bir girdap oluşturarak statik basıncı artırırlar. eğer bu bir yolcu uçağının kanadı üzerinde gerçekleşiyorsa, kanat üstü ve altındaki basınç birbirine eşitlenir ve uçak irtifa kaybetmeye başlar, literatürde buna stall denir ve birçok uçak kazasına neden olmuştur.

    laminer akış ayrılmasında, girdaplar türbülansın ufaktan başladığı geçiş sınır tabakaya kadar giderek büyürler. geçiş sınır tabaka başladıktan sonra 3 farklı senaryo, pozitif basınç gradyanına, türbülans yoğunluğuna ve reynolds sayısına bağlı olarak değişkenlik gösterebilir.

    bu noktadan önce şu gerçeği vurgulamakta fayda var. türbülanslı sınır tabakada hız profili daha hızlı büyür, yani yüzeydeki hız gradyanı ve dolayısıyla kesme gerilmesi ve sürtünme katsayısı laminere göre daha büyüktür. bu nedenle türbülanslı sınır tabakada yüzeye yakın bölgede akışın kinetik enerjisi daha fazladır ve akış ayrılmasına karşı laminere göre daha dirençlidir.

    senaryo 1-1: basınç gradyanının çok çok güçlü olduğu durum

    bu senaryoda laminer rejimde kopan akışta, girdaplar geçiş sınır tabaka başlayana kadar giderek artan bir hızla büyümeye başlayacaktır. geçiş sınır tabaka başladığında ise, basınç gradyanı çok güçlü olduğu için girdaplar büyümeye devam etmekle birlikte, büyüme hızında geçiş boyunca bir düşüş gerçekleşecek, geçiş sınır tabakanın bitip tam çalkantılı sınır tabakanın başladığı yerden itibarense girdaplar yeniden giderek artan bir hızla büyümeye devam edecektir. burada önemli olan, çalkantılı sınır tabakadaki girdap büyüme hızının, laminerdekinden düşük olacağıdır.

    senaryo 1-2: basınç gradyanının çok güçlü olduğu durum

    bu senaryoda laminer rejimde kopan akış sonucu girdaplar geçiş sınır tabaka başlangıcına kadar büyümeye devam edecek. geçiş sınır tabakada bu girdap büyüme hızı önce sıfırlanacak sonra da negatife düşecektir. öyle ki, geçiş sınır tabaka bitmeden akış yüzey boyunca artan kinetik enerjisi sonucu girdapları yenerek tekrar yüzeye tutunacaktır*. akış güçlü kinetik enerjisi sayesinde girdapları, başka bir deyişle pozitif basınç gradyanını yenerek yüzeye tutunur tutunmasına da, lokal reynolds sayısı arttıkça yine sınır tabaka kalınlığı artar ve serbest akış hızı düşmeye devam eder. başka bir deyişle yüzeydeki geçiş sınır tabaka boyunca artan kinetik enerji, çalkantılı sınır tabakanın başlamasıyla birlikte yeniden düşmeye başlar. kinetik enerji nedeniyle düşen momentumun, basınç gradyanına eşit olduğu noktada ise akış yeniden ayrılır, buna çalkantılı akış ayrılması denir.

    senaryo 1-3: basınç gradyanının güçlü olduğu durum

    bu senaryoda akış geçiş sınır tabakada tekrar yüzeye tutunduktan sonra, onu katı yüzeyin sonuna kadar yüzeyden koparamayacak bir basınç gradyanına maruz kalır. yani akış laminer rejimde ayrılıp tekrar tutunduktan sonra bir daha kopmaz.

    senaryo 2-1 ve 2-2: basınç gradyanının güçlü olduğu diğer durumlar

    bu senaryoda, akış daha laminer rejimde ayrılamadan geçiş sınır tabaka gelişmeye başlar ve yüzeye daha güçlü tutunur. bu andan sonra ya hiç ayrılmadan, yüzeye tutunmaya devam eder, ya da bir noktada artan çalkantılı sınır tabaka kalınlığı ve düşen serbest akış hızı nedeniyle çalkantılı akış ayrılması gerçekleşir.

    akış ayrılmasını öngörebilmek için von karman integral denklemi kullanılır. bu denklem, aslında 2 boyutlu akıştaki navier stokes denklemlerine, kütle korunum denklemi entegre edilip sınır tabaka kalınlığı boyunca integral alınmasından elde edilir.

    bu denklemde, theodore von karman yeni bir boyutsuz değişken olan şekil faktörünü* elde etmiştir. şekil faktörü, sınır tabaka deplasman kalınlığının, sınır tabaka momentum kalınlığına oranıdır. yapılan deneylerde görülmüştür ki, laminer rejimde şekil faktörü 3.5'e ulaştığında akış ayrılması gerçekleşirken, çalkantılı rejimde 2.5'e ulaştığında akış ayrılması gerçekleşir.

    mühendislik uygulamalarında, çalkantılı akış ayrılmasını önlemek, basınç gradyanı ve hızı değiştirmedikçe mümkün değildir. ama laminer akış ayrılmasını önlemek mümkündür. bunun için yapılması gereken geçiş sınır tabaka başlangıcını akış ayrılma noktasının önüne çekmektir. bu nedenle laminer akış ayrılmasını önleme amacıyla uçak kanatlarının üzerinde girdap üretici* yapılar kullanılmaktadır.

    optimum tasarım, akış ayrılması ve geçiş sınır tabaka başlangıcını aynı noktada yapmaktır. buradaki amaç hem laminer akış ayrılmasından kurtulmak, hem de maksimum laminer sınır tabaka uzunluğuna sahip bir tasarımı yakalamaktır. çünkü laminer sınır tabakada yüzeydeki hız gradyanı dolayısıyla kesme gerilmesi, dolayısıyla sürtünme katsayısı daha düşüktür. bu da daha az yakıt tüketimi demektir. bu ister bir otomobilin dış gövdesi olsun ister uçak kanadı fark etmez. fakat yine de, değişebilecek sınır koşullarını da göz önünde alacak bir mühendisin tasarımınında akış ayrılma noktasıyla geçiş sınır tabaka başlangıcı arasında bir güvenlik payı bırakması gereklidir. bu pay uygulamanın detaylarına ve sınır koşullarının değişkenliğine bağlı olarak değişebilir.