Akış Koşulları Altında Yumurta Kesitli Çok Fazlı Atıksu Boru Hatlarının Nümerik Analiz Karşılaştırması

Öz

Atıksu boru sistemleri planlamalarında farklı akış koşulları altında çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamda eğim, akış hızı, kesit özellikleri, pürüzlülük, faz durumları ve laminer/türbülanslı akış özelliklerine göre hesaplamalı akışkanlar dinamiği problemi oluşturulmuştur. Çalışmada iki farklı CFD programı ile nümerik analizler ortaya konarak, program çıktıları karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada 20 m uzunluğunda bir boru hattı kullanılmış olup, 15.m’deki hız değerleri ile boru akış kesitlerinden yararlanılmıştır. Böylece eşit fiziki koşullarda oluşturulan problemin sonlu hacimler yöntemini kullanan Star CCM+ ile sonlu elemanlar yöntemi ile çalışan Ansys Fluent programları sonuçlarının çıktılarının değerlendirebilmesi sağlanmıştır. Boru hattı için 600mmx900mm boyutlarında yumurta kesit kullanılmış olup, laminer akış için V= 0,0014 m/s, türbülanslı akış için ise V= 0,70 m/s ve V= 2,00 m/s giriş hızları alınmıştır. CFD programında çok fazlı akış koşulları için volume of fluid, k-ε türbülans modeli kullanılarak, akışkan için uygun modellerin oluşturulması sağlanmıştır. Sonuçların birbiri ile uyumları, özellikle akış hız değerlerinin çok benzer sonuçlar vermesi programların güvenirliliklerini de arttırmaktadır. Farklı fazlardaki akış koşullarına göre de elde edilen hız değerleri, hız profilleri ve akış özelliklerinin birbirine yakın çıkması CFD programlarının analiz değerlerinin doğruluğunu ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Yumurta kesit
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD)
• Atıksu boruları
• Çok fazlı akış

Numerical Analysis Comparison of Egg Section Multiphase Wastewater Pipelines Under Flow Conditions

Öz

Studies have been carried out under different flow conditions in the planning of wastewater pipe systems. In this context, computational fluid dynamics problems were created according to slope, flow velocity, cross-sectional properties, roughness, phase states and laminar/turbulent flow characteristics. In the study, numerical analyses were performed with two different CFD programs and program outputs were compared. A 20 m long pipeline was used in the comparison and velocity values at 15.m and pipe flow cross sections were utilized. Thus, it was ensured that the outputs of Star CCM+, which uses the finite volume method, and Ansys Fluent, which uses the finite element method, could be evaluated for the problem created under equal physical conditions. An egg section of 600mmx900mm was used for the pipeline and inlet velocities of V= 0.0014 m/s for laminar flow and V= 0.70 m/s and V= 2.00 m/s for turbulent flow. In the CFD program, volume of fluid, k-ε turbulence model for multiphase flow conditions were used to create appropriate models for the fluid. The compatibility of the results with each other, especially the flow velocity values give very similar results, which increases the reliability of the programs. The fact that the velocity values, velocity profiles and flow properties obtained according to the flow conditions in different phases are close to each other reveals the accuracy of the analysis values of CFD programs.

Anahtar Kelimeler

• Egg shaped
• Computational fluid dynamics (CFD)
• Wastewater pipes
• Multiphase flow

Kaynakça

1. Acar, E. (2023). Kararsız Akış Koşulları Altında Yumurta Kesitli Atık Su Borularının Hidrolik Performansı, Doktora Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Türkiye.
2. Afif, A.A., Wulandari, P., Syahriar, A. (2020). CFD analysis of vertical axis wind turbine using ansys fluent, BIS-ASE 2019 Journal of Physics: Conference Series, 16 October 2019, Magelang, Indonesia.
3. Angkasuwansiri, T., Sinha, S. (2014). Development of wastewater pipe performance index and performance prediction model, International Journal of Sustainable Materials and Structural Systems, 1, 244-264. https://doi.org/10.1504/IJSMSS.2014.062767
4. Atik, K., Racabovadiloğlu, Z. (2006). Sıvı-katı iki fazlı karışımın kararsız hareketlerinin sayısal ve Slezkin-Targ yöntemleriyle incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 21(4), 661-666.
5. Aydın, M.C. (2005). Alttan alışlı dolusavak havalandırıcıların CFD analizi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye.
6. Başyazıcı, İ.U. (2007). İki fazlı akışlara sayısal yöntemlerin uygulanması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Türkiye.
7. Bayrakdar, F. (2017). Application of Volume of Fluid (VOF) Method in Conjunction with Shear Stress Transport (Sst) K-Ω Turbulence Closure Model to Investigate Spillway Flow, Master Thesis, Middle East Technical University, Türkiye.
8. Bhowmik, P.K., Schlegel, J.P., Kalra, V., Alam, S.B., Hong, S., Usman, S. (2022). CFD validation of condensation heat transfer in scaled-down small modular reactor applications, Part 1: Pure steam, Experimental and Computational Multiphase Flow, 4(4), 409-423. https://doi.org/10.1007/s42757-021-0115-5

9. Bonakdari, H., Larrarte, F. (2006). Experimental and numerical investigation on self-cleansing and shear stress in sewers, Sewer Operation and Maintenance conference, October 2006, Wien, Austria.
10. Cici İ., Dursun Ö. F. (2022). Sayısal model yardımıyla farklı havalandırıcı tiplerin venturi havalandırma performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 9(1), 96-112. https://doi.org/10.31202/ecjse.948387
11. Cinosi, N., Walker, S.P., Bluck, M.J., Issa, R. (2014). CFD simulation of turbulent flow in a rod bundle with spacer grids(MATIS-H) using STAR-CCM+, Nuclear Engineering and Design, 279, 37–49. http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2014.06.019
12. Greifzu, F., Kratzsch, C., Forgber, T., Lindner, F., Schwarze, R. (2016). Assessment of particle-tracking models for dispersed particleladen flows implemented in Open FOAM and ANSYS FLUENT. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 10(1), 30-43. https://doi.org/10.1080/19942060.2015.1104266
13. Hazari, S.A. (2016). Turbulence Modelling of Two Phase Stratified Channel and Pipe Flows, Master Thesis, Delft University of Technology, Netherlands.
14. Kim, C., Han, C. (2013). Numerical simulation of hydraulic transport of sand-water mixtures in pipelines. Open Journal of Fluid Dynamics, 3(4), 266-270. https://doi.org/10.4236/ojfd.2013.34033
15. Kuhn, S. Z. (1995). Investigation of heat transfer from condensing steam-gas mixtures and turbulent films flowing downward inside a vertical tube, Ph.D. Dissertation, University of California, USA.
16. Kumar, S., Kumar, B., Deshpande, V., Agarwal, M. (2023). Predicting flow velocity in a vegetative alluvial channel using standalone and hybrid machine learning techniques. Expert Systems with Applications, 232, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2023.120885
17. Moukalled, F., Mangani, L., Darwish, M. (2016). The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics, Springer, ISSN: 2215-0056.
18. Nasiri Khalaji, M., Osta, M. H. and Yakut, K. (2018). Numerical analysis of heat transfer of hot oil and cold water fluids in a concentric type heat exchanger with ansys fluent. International Journal of Innovative Research and Reviews, 2(2), 24-27.
19. Okyay, G. (2010). Utilization of CFD Tools in the Design Process of a Francis Türbine, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Türkiye.
20. Özdemir, Y.C. (2023). Farklı Açılardaki Batık Kanat Yapılarının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İskenderun Teknik Üniversitesi, Türkiye.
21. Pashchenko, D.I. (2019). CFD Modeling of Operating Processes of a Solar Air Heater in ANSYS Fluent. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 92(1), 73-79. DOI 10.1007/s10891-019-01908-8
22. Regueiro-Picallo, M., Naves, J., Anta, J., Puertas, J., Suárez, J. (2016). Experimental and numerical analysis of egg-shaped sewer pipes flow performance. Water, 8(587), 1-9. https://doi.org/10.3390/w8120587
23. Sadeq, A.M. (2022). Açık Kanal Akımındaki Eğrisel Köprü Yan Ayaklarının Deneysel ve Sayısal Modellemesi, Yüksek Lisans Tezi, Harran Üniversitesi, Türkiye.
24. Savaş, E. (2015). Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Yazılımı (Fluent) Kullanılarak Bir İşyerinde Yangın Acil Durumunda Duman Tahliyesi Modellenmesi, İş Sağlığı ve Güvenliği Uzmanlık Tezi, Çalışma ve Sosyal Güvenlik Bakanlığı İş Sağlığı ve Güvenliği Genel Müdürlüğü, Türkiye.
25. Şibil, R. (2023). Bitki örtülü kanalların akım özelliklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile belirlenmesinde yakın duvar davranışının etkisi. Recep Tayyip Erdogan University Journal of Science and Engineering, 4(2), 109-123. https://doi.org/10.53501/rteufemud.1323845
26. Taşar, B., Üneş, F., Gemici, E., Varçin, H. (2021). Numerical simulation of channel flow using submerged vane in river arrangements, 2021 Air and Water – Components of the Environment Conference Proceedings, March 2021, Cluj-Napoca, Romania.
27. Yakhot, V., Orszag, S.A. (1986). Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of Scientific Computing, 1(1), 3-51.
28. Yuann, R. Y. (1993). Condensation from vapor-gas mixture for forced downflow inside a tube, Ph.D. Dissertation, University of California, Berkeley, CA, USA.