Engelli akış ölçerlerin teorik yöntemler ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile tasarımı, performanslarının deneysel incelenmesi

Öz

Bu çalışmanın amacı, havanın hacimsel debisini ölçmek ve kontrol etmek için kullanılacak engelli akış ölçerlerin tasarımı, eklemeli imalatla (3B yazıcı) üretimi, sayısal ve deneysel performanslarının karşılaştırılmasıdır. Tasarım ve üretim kolaylıklarının yanında yaygın kullanımları nedeniyle, engelli akış ölçer olarak ASME uzun yarıçaplı düşük β oranlı akış lülesi ve keskin köşeli orifis seçilmiştir. Literatürde mevcut tasarım yöntemleri ile geometrik boyutları belirlenen ve 3- boyutlu tasarımları yapılan akış ölçerlerin sayısal performansları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile kontrol edilmiştir. Ayrıca eklemeli imalat yöntemi ile üretilen akış ölçerlerin deneysel performansları, yapılan deneylerle incelenmiştir. Ölçülecek hacimsel debi (80-300 m3/h) göz önünde bulundurularak ve akış ölçerlerin girişindeki Reynolds sayısı 12,000-46,000 aralığında olacak şekilde, akış kanalının iç çapı (152 mm) belirlenmiştir. Basınç kayıplarını sınırlandırmak amacıyla, her iki akış ölçerlerin akış kesit çapının (d) kanal kesit çapına (D) oranı β~0.45 seçilmiştir. Deneysel çalışmalarda; akış ölçerlerin yukarı akımında akışın daha kısa mesafede gelişmesi ve gerekli boru uzunluğunun kısaltılması amacıyla tasarlanan, boru demeti tipi akış düzleştiricinin etkenliği ve akış ölçerin aşağı akımındaki fanlar ile akış ölçerler arasındaki mesafenin ölçümlere etkisi de incelenmiştir. Sayısal sonuçların teorik tasarım hesaplarıyla; akış lülesinde ortalama %1.6 ve orifiste ortalama %7.8 fark ile uyumlu olduğu görülmüştür. Deneysel sonuçların da teorik sonuçlarla; akış lülesinde ortalama %8 ve orifiste ortalama %14.3 fark ile uyumlu olduğu elde edilmiştir. Sayısal ve deneysel sonuçlar arasındaki ortalama fark; akış lülesinde %7.3 ve orifiste %14.8’dir. Her iki akış ölçerin deneysel sonuçları kullanılarak, basınç düşümüne bağlı hacimsel debi denklemleri türetilmiştir

Anahtar Kelimeler

• Akış lülesi
• Orifis
• Akış düzleştirici
• Debi ölçümü
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği
• Eklemeli imalat

Experimental investigation of performance of obstruction flow-meters designed with theoretical methods and computational fluid dynamics

Öz

The aim of this study was to design obstruction flow meters to measure and control the volumetric flow of air, to manufacture them with additive manufacturing (3D printer) and to compare numerical and experimental performance. An ASME long radius low β flow nozzle and sharp-edge orifice was the obstruction flow meter of choice due to ease of design and manufacture and common use. This study employed Computational Fluid Dynamics (CFD) to compare the numerical performance of 3D flow meters, whose geometric dimensions are determined using current design methods in the literature. Experiments were performed to calculate the performance of the obstruction flow meters produced using additive manufacturing. The inner diameter of the flow channel (152 mm) was based on the volume flow rate of 80 to 300 m3/h and the Reynolds number of 12,000 to 46,000 at the inlet of the flow meters. The ratio of the flow cross section diameter (d) of the flow meters to the channel cross section diameter (D) was β~0.45 to limit pressure losses. The effectiveness of the tube bundle-type flow straightener and the effect of the distance between the flow meters and fans downstream of the flow meter on measurements were also investigated in the experiments to develop the flow at the upstream of the flow meters at a shorter distance and to shorten the tube length. The numerical results agreed with the theoretical design calculations with an average difference of 1.6% in the flow nozzle and an average difference of 7.8% in the orifice. The experimental results also agreed with the theoretical results with an average difference of 8% in the flow nozzle and an average difference of 14.3% in the orifice. The mean difference between the numerical and experimental results was 7.3% and 14.8% in the flow nozzle and orifice, respectively. Volume flow rate equations based on pressure drops were developed using the experimental results of both flow meters

Anahtar Kelimeler

• Flow nozzle
• Orifice plate
• Flow straightener (Flow conditioner)
• Flow rate measurement
• Computational fluid dynamics
• Additive manufacturing

Kaynakça

1. [1] Merzkirch W. Fluid Mechanics of Flow Metering. Berlin Heidelberg, Germany, Springer -Verlag, 2005.
2. [2] Basil V. R. Greatrex PTY LTD. “News”. http://www.bvrg.com.au/News/Nov2010/Why-flowmeasurement-important.pdf (17.04.2020).
3. [3] LaNasa PJ, Upp EL. Fluid Flow Measurement: A Practical Guide to Accurate Flow Measurement. 2nd ed. United States of America, Butterworth-Heinemann, 2014.
4. [4] Economides MJ, Wood DA. “The state of natural gas”. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 1(1-2), 1-13, 2009.
5. [5] Yorucu V, Bahramian P. “Price modelling of natural gas for the EU-12 countries: Evidence from panel cointegration”. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 24, 464-472, 2015.
6. [6] Crabtree MA. Industrial Flow Measurement. MSc Thesis, University of Huddersfield, England, 2009.
7. [7] Milli Eğitim Bakanlığı. Endüstriyel Otomasyon Teknolojileri: Akış Ölçümü. Ankara, MEB, 2010.
8. [8] Measurement Systems – NPTEL. “Module 2, Measurement Systems, Lesson 7: Flow Measurement”. https://nptel.ac.in/content/storage2/courses/10810506 3/pdf/L-07(SS)(IA&C)%20((EE)NPTEL).pdf, (15.04.2020).

9. [9] Ower E, Pankhurst RC. The Measurement of Air Flow. 5th ed. Germany, Pergamon Press, 1977.
10. [10] Salazar L, Tolisano J, Crane K, Wheeler L, Kuile M, Radtke D. “Irrigation reference manual”. Information Collection and Exchange, Agro Engineering, Inc., Colorado, USA, Training Manual, T0077, 1994.
11. [11] Dayev ZhA. “Application of artificial neural networks instead of the orifice plate discharge coefficient”. Flow Measurement and Instrumentation, 71, 101674, 2020.
12. [12] Clark WJ. Flow Measurement By Square-edged Orifice Plate Using Corner Tappings. 1st ed. London, England, Pergamon Press Ltd. 1965.
13. [13] Bird OJ, Chivers PJ. Newnes Engineering and Physical Science Pocket Book. 1st ed. Oxford, England, ButterworthHeinemann Ltd., 1993.
14. [14] Basu S, Debnath AK. Power Plant Instrumentation and Control Handbook A Guide to Thermal Power Plants. 2nd ed. London, Academic Press, 2015.
15. [15] Holman JP. Experimental Methods for Engineers. 8th ed. New York, USA, McGraw-Hill, 2012.
16. [16] Baker RC. Flow Measurement Handbook: Industrial Designs, Operating Principles, Performance, and Applications. New York, USA, Cambridge University Press, 2016.
17. [17] Miller RW. Flow Measurement Engineering Handbook. 3rd ed. New York, USA, McGraw-Hill, 1996.
18. [18] Unverdi M, Kucuk H. “Design and performance analysis of obstruction flow measurement devices for low air flow rates using CFD analysis”. Machines. Technologies. Materials, International Scientific Journal, 4, 143-148, 2018.
19. [19] Çengel Y. Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer. 2nd ed. USA, McGraw-Hill, 2007.
20. [20] Lam CKG, Bremhorst K. “A Modified Form of the k- Model for Predicting Wall Turbulence”. ASME Journal of Fluids Engineering, 103(3), 456-460, 1981.
21. [21] An American National Standard. ASME MFC-3M-2004, Measurement of Fluid Flow in Pipes Using Orifice, Nozzle, and Venturi, New York, 2005.
22. [22] Learning Instrumentation And Control Engineering. “How a Flow Conditioner Works - Flow Conditioning Basics”. https://www.instrumentationtoolbox.com/2016/01/ho w-flow-conditioner-works-flow.html (16.04.2020).
23. [23] Thulukkanam K. Heat Exchanger Design Handbook. 2nd ed. New York, USA, CRC Press, 2013.
24. [24] American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers, ASHRAE Handbook Fundamentals. USA, 2001.