Akış ayrılması

Yüksek hücum açısında bir kanattan ayrılan hava akışı

Akışkanlar dinamiğinde, akış ayrılması veya sınır tabaka ayrılması, bir sınır tabakasının bir yüzeyden koparak bir kuyruk izine (İngilizce: wake) dönüşmesidir.

Bir sınır tabakası, bir akışkan ile katı bir yüzey arasında bağıl hareket olduğunda ve yüzeye yakın akışkan tabakasında viskoz kuvvetler mevcut olduğunda oluşur. Akış, bir cismin etrafında dışsal olarak veya kapalı bir geçit içinde içsel olarak gerçekleşebilir. Sınır tabakaları laminer veya türbülanslı olabilir. Sınır tabakasının laminer mi yoksa türbülanslı mı olacağına dair makul bir değerlendirme, yerel akış koşullarının Reynolds sayısı hesaplanarak yapılabilir.

Ayrılma, örneğin bir akım-çizgili cismin en kalın kısmını geçtikten sonra veya genişleyen bir geçitten geçerken basıncın arttığı ve akışın yavaşladığı durumlarda meydana gelir. Artan bir basınca karşı akış, ters basınç gradyanı içinde akış olarak bilinir. Sınır tabaka, bir ters basınç gradyanı içinde, sınır tabakanın yüzeye göre hızının durup yön değiştirmesine neden olacak kadar ilerlediğinde ayrılır. Akış yüzeyden kopar ve bunun yerine çevrintiler (eddy) ve burgaçlar (vortex) şeklini alır.

Akışkan ayrıldıktan sonra, hala yapışık olduğu duruma kıyasla sürekli artan bir basınç yerine yüzeye sabit bir basınç uygular. Aerodinamikte akış ayrılması, nesnenin ön ve arka yüzeyleri arasındaki basınç farkından kaynaklanan azalan kaldırma kuvvetine ve artan basınç sürüklemesine (pressure drag) neden olur. Bu durum uçak yapılarında ve kontrol yüzeylerinde gövde çırpıntısına (buffeting) yol açar. İç geçitlerde ayrılma, makine kanatçıklarında tutunma kaybına (stall) ve titreşimlere, ayrıca girişlerde ve kompresörlerde kayıpların artmasına, dolayısıyla daha düşük verime, neden olur.

Akış ayrılmasını geciktirmek ve akışı mümkün olduğunca uzun süre yapışık tutmak için aerodinamik ve hidrodinamik yüzey konturlarının tasarımı ve eklenen özellikler üzerine birçok çaba ve araştırma yapılmıştır. Erken bir türbülanslı akışa geçişi tetikleyen tenis topu üzerindeki tüyler, golf topundaki çukurlar, planör üzerindeki türbülatörler, uçaklardaki girdap üreteçleri ve aktif akış kontrolcüleri bunlara örnektir.

Ters basınç gradyanı

Sınır tabakasındaki hız profilinin grafiksel gösterimi. Son profil, ayrılmış akışı gösteren ters akışı temsil eder.

Akışın tersine dönmesi, temel olarak dış potansiyel akış tarafından sınır tabakasına uygulanan ters basınç gradyanından kaynaklanır. Sınır tabakası içindeki akım yönündeki momentum denklemi yaklaşık olarak şu şekilde ifade edilir:

$u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}$

Burada $s,y$ sırasıyla akış yönü ve normal koordinatlardır. Ters basınç gradyanı $dp/ds>0$ olduğu durumdur; bu durumun, $u$ hızının $s$ boyunca azalmasına ve eğer ters basınç gradyanı yeterince güçlüyse sıfıra düşmesine neden olduğu görülebilir.

Etkileyen parametreler

Bir sınır tabakasının ayrılma eğilimi, temel olarak yüzey boyunca ters veya negatif kenar hızı gradyanının ($du_{o}/ds(s)<0$) dağılımına bağlıdır; bu da dış viskoz olmayan (inviscid) akış için momentum denklemiyle aynı olan Bernoulli bağıntısının diferansiyel formu aracılığıyla doğrudan basınç ve gradyanı ile ilişkilidir:

$\rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}$

Ancak ayrılma için gereken $du_{o}/ds$ büyüklükleri, türbülanslı akış için laminer akışa göre çok daha fazladır; ilki, neredeyse bir mertebe daha güçlü akış yavaşlamasını tolere edebilir. İkincil bir etki Reynolds sayısıdır. Belirli bir ters $du_{o}/ds$ dağılımı için, türbülanslı bir sınır tabakasının ayrılma direnci artan Reynolds sayısı ile hafifçe artar. Buna karşılık, laminer bir sınır tabakasının ayrılma direnci Reynolds sayısından bağımsızdır — bu biraz sezgilere aykırı bir gerçektir.

İç ayrılma

İç sınır tabaka ayrılmasının şematik gösterimi

Sınır tabaka ayrılması iç akışlar için de meydana gelebilir. Bu, hızla genişleyen bir boru kanalı gibi nedenlerden kaynaklanabilir. Ayrılma, akış genişledikçe karşılaşılan ters basınç gradyanı nedeniyle oluşur ve geniş bir ayrılmış akış bölgesine neden olur. Devirdaim akışını ve kanalın orta bölgesinden geçen akışı ayıran akış kısmına ayırıcı akış-çizgisi denir. Ayırıcı akış-çizgisinin duvara tekrar yapıştığı noktaya yeniden-bağlanma noktası (reattachment point) denir. Akış, akış aşağısına doğru ilerledikçe sonunda bir denge durumuna ulaşır ve ters akış ortadan kalkar.

Sınır tabaka ayrılmasının etkileri

Sınır tabakası ayrıldığında, kalıntıları bir kayma tabakası oluşturur ve kayma tabakası ile yüzey arasında ayrılmış bir akış bölgesinin varlığı, dış potansiyel akışı ve basınç alanını değiştirir. Kanat profilleri (airfoil) durumunda, basınç alanı değişikliği basınç sürüklemesinde bir artışa neden olur ve eğer yeterince şiddetliyse perdövitese (stall) ve kaldırma kuvveti kaybına yol açar; bunların hepsi istenmeyen durumlardır. İç akışlar için, akış ayrılması akış kayıplarında bir artışa ve kompresör pertdövitesi gibi durma tipi olaylara neden olur ki bunlar da istenmeyen olaylardır.

Sınır tabaka ayrılmasının bir başka etkisi de Kármán girdap dizisi olarak bilinen düzenli dökülen girdaplardır. Bir yapının küt arka yüzeyinden, akışın hızına bağlı bir frekansta girdaplar dökülür. Girdap dökülmesi, yapıda titreşimlere yol açabilen değişken bir kuvvet üretir. Eğer dökülme frekansı yapının bir rezonans frekansı ile çakışırsa, yapısal hasara neden olabilir. Bu titreşimler, bitişik katı veya akışkan cisimlerdeki kökenlerine bağlı olarak farklı frekanslarda oluşabilir ve yansıyabilir; rezonansı sönümleyebilir veya güçlendirebilirler.

Ayrıca bakınız

• Aerodinamik
• D'Alembert paradoksu
• Magnus etkisi

Kaynakça

• Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, McGraw-Hill. 0-07-282569-3.
• L. J. Clancy (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing Limited, London 0-273-01120-0.

Dış bağlantılar

• Aerospaceweb-Golf Ball Dimples & Drag
• Aerodynamics in Sports Equipment, Recreation and Machines – Golf – Instructor
• Marie Curie Network on Advances in Numerical and Analytical Tools for Detached Flow Prediction