Experimental investigation of performance of obstruction flow-meters designed with theoretical methods and computational fluid dynamics
Hasan Küçük1, Murat Ünverdi21Department of Mechanical Engineering, Sakarya University, Sakarya, Turkey2Department of Mechanical and Metal Technology, Aydın Adnan Menderes University, Aydın, Turkey
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.
Keywords: Flow nozzle, Orifice plate, Flow straightener (Flow conditioner), Flow rate measurement, Computational Fluid Dynamics, Additive manufacturing.Engelli akış ölçerlerin teorik yöntemler ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile tasarımı, performanslarının deneysel incelenmesi
Hasan Küçük1, Murat Ünverdi21Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölüm, Sakarya2Aydın Adnan Menderes Üniversitesi, Aydın Meslek Yüksekokulu, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü, Aydın
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.Corresponding Author: Murat Ünverdi, Türkiye
Manuscript Language: Turkish