Interplay between shear layer dynamics and cavitation in turbulent flows on microfluidic chips: A numerical and experimental study
Mikroakışkan çiplerdeki türbülansçı akışlarda kesme tabakası dinamiği ile kavitasyon arasındaki etkileşim: Sayısal ve deneysel bir çalışma
- Tez No: 972448
- Danışmanlar: Dr. Lecturer MORTEZA GHORBANI, PROF. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kavitasyon, sıvıların basınç düşüşleri nedeniyle yerel buharlaşması ve yeniden yoğunlaşması olarak tanımlanır, mühendislik sistemlerini önemli ölçüde etkiler ve güvenilir tasarım için derinlemesine bir anlayış gerektirir. Bu tez, mikro ölçekli geri basamak (BFS) konfigürasyonlarında sıkıştırılabilir kavitasyonlu akışların türbülanslı kesme tabakalarıyla karmaşık etkileşimine dair kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Metodolojimiz, gelişmiş hesaplamalı akışkanlar dinamiğini deneysel analizle birleştirmektedir. Büyük Girdap Benzetimi (BGB) çerçevesinde özel olarak geliştirilmiş üç boyutlu tam sıkıştırılabilir bir kavitasyon çözücü kullandık. Bu çözücü, farklı Mach sayısı rejimlerinde karmaşık yoğunluk, basınç dalgası dinamikleri ve faz değişimini doğru bir şekilde yakalamak için tüm-Mach Riemann yaklaşımına dayalı bir şemadan faydalanmaktadır. Türbülansı farklı ölçeklerde sağlam bir şekilde simüle etmek için hem fonksiyonel (WALES) hem de gelişmiş karmaşık Alt-Izgara Ölçeği (AİÖ) modellerini kullandık. Temel bulgularımız, kavitasyonun türbülanslı akışı derinden değiştirdiğini, kesme tabakası büyümesini azalttığını, yeniden tutunmayı geciktirdiğini ve buhar çökmesi yoluyla Reynolds gerilmelerini ve basınç dalgalanmalarını değiştirdiğini ortaya koymaktadır. Yeniden tutunma yer değiştirmesiyle ilişkili baskın düşük frekanslı modlar ve belirgin buhar taşınım mekanizmaları tespit ettik. Ayrıca, riblet donanımlı yüzeyler gelen türbülansı kontrol etmektedir: Türbülans Kinetik Enerjisi (TKE) taşınımını değiştirir, Reynolds gerilimi anizotropisini modifiye eder ve daha büyük, daha yavaş uyumlu yapılar oluşumunu teşvik ederler. Bu riblet kaynaklı türbülanslı değişimler, kavitasyon dinamiğini ve özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Deneysel olarak, bu çalışma mikro ölçekli bir BFS'deki kesme kavitasyonuna dair ilk içgörüleri sunmaktadır. Girdap gücü ve basınç dalgalarından etkilenen benzersiz mikro ölçekli kopma (shedding) modları gözlemledik. Bu tez, türbülanslı kavitasyonlu akışlar hakkındaki anlayışı ilerletmekte, mikroakışkan ve enerji sistemlerinin tasarımı ve optimizasyonu için kapsamlı sayısal ve deneysel yaklaşımların vazgeçilmez olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Cavitation, the local evaporation and re-condensation of liquids due to pressure drops, significantly impacts engineering systems, necessitating a deep understanding for reliable design. This thesis presents a comprehensive investigation into the complex interaction of compressible cavitating flows with turbulent shear layers in microscale BFS configurations. Our methodology integrates advanced computational fluid dynamics with experimental analysis. We employed a custom three-dimensional fully compressible cavitation solver within a Large Eddy Simulation (LES) framework. This solver, leveraging an all-Mach Riemann approximation-based scheme to accurately capture complex density, pressure wave dynamics, and phase change across varying Mach number regimes. We utilized both functional (WALES) and advanced mixed Subgrid-Scale (SGS) models to robustly simulate turbulence across scales. Key findings reveal that cavitation profoundly alters turbulent flow, reducing shear layer growth, delaying reattachment, and modifying Reynolds stresses and pressure fluctuations through vapor collapse. We identified dominant low-frequency modes associated with reattachment displacement and distinct vapor transport mechanisms. Furthermore, riblet-equipped surfaces control incoming turbulence: they shift Turbulence Kinetic Energy (TKE) transport, modify Reynolds stress anisotropy, and promote larger, slower coherent structures. These riblet-induced turbulent changes directly affect cavitation dynamics and characteristics. Experimentally, the study provides the first insights into shear cavitation in a microscale BFS. We observed unique microscale shedding modes influenced by vortex strength and pressure waves. This thesis advances the understanding of turbulent cavitating flows, demonstrating that comprehensive numerical and experimental approaches are essential for designing and optimizing microfluidic and energy systems.
Benzer Tezler
- Optimization of mixing efficiency of air and hydrogen in scramjet combustor
Scramjet motorlarında hava hidrojen karışımı optimizasyonu
MUSTAFA ŞASICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilim ve Mühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Direct numerical simulation of a turbulent boundary layer under spatially varying pressure gradients
Konumsal olarak değişen basinç gradyanlari etkisindeki bir türbülanslı sinir tabakanın dogrudan sayısal benzetimi
MEHMET ALİ YEŞİLDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Dolusavak plaka boşlukları boyunca akım ve türbülans karakteristiği
Flow and turbulent characteristic over spillways slab gaps
MUHAMMED FATİH ÖZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
- Molecular rheology of unentangled polymer melts in nanochannels
Dolanık olmayan polimer eriyiklerinin nano-kanallar içerisindeki moleküler reolojisi
AHMET BURAK YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LUCA BIANCOFIORE
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYKUT ERBAŞ
- İstanbul ve Erzincan şehirlerinde zemin büyütme etkilerine göre mikrobölgeleme
Microzonation according to soil amplification within the cities of İstanbul and Erzincan
M.AYŞEN LAV