Investigation of choking condition of granular flows - Başaranoğlu, Zafer (My University, 2006)
Tanecikli yapıdaki maddelerin mekaniğine olan ilgi giderek artmaktadır. Ancak, tanecikli yapıdaki malzemelerin hem katı, hem de sıvı özellik gösteren karmaşık yapısı nedeniyle tanecikli akışları incelemede birçok sıkıntıyla karşılaşılmıştır. Özellikle, tanecikli akışlarda, tanecikler orifis gibi birdenbire daralan bir kesitten yerçekiminin etkisiyle geçerken oluşan tıkanma olayı, daha önce kapsamlı olarak araştırılmamıştır. Tanecikli akışın debisi, orifis gibi bir akış kısıtlayıcıdan geçerken düşükse akış tıkanmaz. Ama debi arttıkça, orifisten geçerken, akışın tıkanmaya başladığı görülmüştür. Akış tıkanacak olursa debi, yoğunluk ve gerilme gibi akış özellikleri önemli ölçüde değişim gösterir. Bu yüzden, tıkanma olayı ortaya çıktığında bu özelliklerin alacağı değerleri incelemek istenmiştir. Bu tezdeki amaç, orifis üzerine uygulanan normal gerilme ile orifisten geçerkenki debi arasındaki ilişkiyi araştırmaktır. Diğer bir amaç ise belli orifis ölçüleri için oluşabilecek en yüksek kütlesel debiyi bulmaktır. Bu araştırmada, ankastre bir çubuğa (cantilever beam) yapıştırılmış bir uzama teli (strain gauge) kullanarak yapılan bir gerilmeölçer (stress gauge) geliştirilmiştir. Ankastre çubuk orifisi tutmakta, böylece çubukta oluşan genleme (strain) aracılığıyla orifis üzerindeki gerilme ölçülebilmektedir. Uzama telinden gelen uyarılar Wheatstone köprüsü ve gerilim yükselticiden geçerek veri toplama (DAQ) sistemine aktarılır, böylece veriler bilgisayara iletilmiş olur. Bilgisayara aktarılan veriler MATLAB aracılığıyla incelenmiştir. Akış tıkanmadığı zaman, orifis üzerindeki normal gerilmenin artışıyla orifisten geçerkenki kütlesel debinin arttığı gözlenmiştir. Akış tıkandığı anda kütlesel debinin en yüksek değerine ulaştığı, sonra düşmeye başladığı ve normal gerilmenin daha fazla artmasıyla debinin asimptotik bir değere yaklaştığı gözlenmiştir. Çeşitli orifis ölçüleri için geçerli olan asimptotik kütlesel debiler literatürde bulunan sonuçlarla uyum içindedir.

Mechanics of granular materials has received increasing attention. However, many difficulties have been encountered in investigation on granular flow due to the complex nature of the granular flow which has both solid-like and fluid-like properties. Especially, choking phenomenon of granular flows, which occurs when granules under gravity pass through a narrowed cross-sectional area such as an orifice, has never been investigated extensively. When the flow rate of granular flow through a flow restrictor such as an orifice is low, flow is not choked. But it is observed that flow becomes choked as the flow rate through the orifice increases. Once the flow becomes choked, flow characteristics such as mass flow rate, density and stress are considerably different. Accordingly, it is desired to examine these characteristics as choking takes place. The aim of this thesis is to investigate the relationship between normal stresses exerted on the orifice and mass flow rates through the orifice. Another aim is to determine the maximum mass flow rate for a certain orifice size. In this research, a normal stress gauge has been developed using a strain gauge attached to a cantilever beam. The cantilever beam supports the orifice, and thus normal stresses on the orifice can be measured by strains developed in the beam. Signal from the strain gauge went through a Wheatstone bridge and a voltage amplifier and then was delivered to a computer through the data acquisition system (DAQ). Data delivered to the computer was analyzed by MATLAB. It has been observed that, when flow is not choked, the mass flow rate through the orifice increases as the normal stress on the orifice increases. Once the flow becomes choked, the mass flow rate starts decreasing after it reaches a maximum value and then approaches to an asymptotic value for further increase of the normal stress. The asymptotic mass flow rates for various orifice sizes are in agreement with results available in the literature.
Keywords: Makine Mühendisliği