Von Karman Vortex Nedir ?

“Bir İnşaat mühendisinin en büyük düşmanı kimdir?”

Ne yazık ki hepimiz biliyoruz ki en önemli mühendislik problemleri doğa ile anlaşamamaktan kaynaklanmaktadır. Özellikle inşaat mühendisliği gibi doğayı doğrudan kullanan disiplinlerde bu anlaşmazlık daha çok öne çıkmaktadır. Buna örnek olarak ; Theodore Von Karman’ın açıkladığı “Von karman girdapları” gösterilebilir.

11 mayıs 1881’da Budapeşte de doğan Theodore Von Karman, ABD’li bir Mühendis ve Bilim insanı olup Aerodinamik ve Hidrodinamik alanında katkıda bulunmuştur.

Karman’ın ilk önemli çalışmalarından bir tanesi 1911 yılında Göttingen Üniversitesi’nde bir proje üzerine çalışırken bir akış tankının içinde bulunan silindir biçimli cisimlerdeki titreşimlerin nedenini bularak, matematiksel bir açıklama getirmesidir.

“Peki Karman’ın bu çalışması bize neyi açıklıyor?” Dik olarak akışa karşı duran silindirlerde gözlemlenen, silindirin akışa karşı olmayan yüzeyinde girdaplanma (türbülans) meydana gelmektedir. Girdaptan doğan burgaçlar, düşük hızlarda silindirin çevresinden ayrılmazken yüksek hızlarda sıvı ya da gaz halindeki akışkanın girdaplı hareketinde gelişi güzel bir girdap dağılımı oluşturduğunu görülmüştür. Karman, ara hız bölgesinde burgaçların akışa paralel olarak silindire önce bir yanından sonra öbür yanından koparak akış boyunca ilerlediğini görmüştür. Üstelik bu olgu en düzgün akışlarda bile ortaya çıkmaktadır. Karmanın matematiksel çözümlemesini yapmış olduğu bu olaya daha sonralarda “Von Karman girdapları” adı verildi.

“Von Karman girdapları nerelerde görülür?”

Akışkan hareketi herhangi bir cisim tarafından engellendiği durumlarda atmosfer(hava) ve okyanus(su) da görülür. Aslında bizler herhangi bir rüzgar darbesi ile karşılaştığımızda veya sahil boyunca akıntıya karşı yüzerken bu hareketin farkına varabiliriz. Ancak okyanustaki ve atmosferdeki bu hareketi gözümüzle nadiren görebiliriz.

“Von karman girdapları akışın bir nesne tarafından engellendiği neredeyse her yerde oluşur.”

NASA tarafından tasarlanan atmosferdeki ve uzaydaki sıvı hareketini izleyebilen benzersiz bir kabiliyete sahip SeaWIFS sistemi bize bu hareketleri izleme olanağı sağlıyor.Diğer birçok meteorolojik uydular , atmosferin akışkan dinamiklerini gösterebilir ancak SeaWIFS doğru şartlar altında deniz ortamında da akışkanların hareketlerini gözlemleyebilecek donanıma sahiptir. Bunu Guadalupe Adası’nda görünen Von Karman girdaplarını net bir şekilde görüntüleyebilmesinden de anlamaktayız.

“Von karman girdapları bilimsel olarak nasıl açıklanır?”

Reynolds sayısı ve Strouhal sayısı bu konuda en büyük yardımcılarımız.

Reynolds sayısı bir akış hızının eylemsizlik kuvvetlerinin viskozitesine(ağdalılık)(akmazlık) oranıdır. Von karman girdapları için de sınır değeri 90 dır.Bir takım akışlar, reynolds sayısına bağlı olan bir salınım düzenine sahiptir. Sürekli serbest akışa dalmış bir cisim arkasında oluşan periyodik girdaplara örnektir.

Bir sıvı partikülünün bir silindirin ön kenarına doğru akması üzerine parçacık serbest akış basıncından durgunluk basıncına yükselir. Ön kenarın yakınındaki yüksek sıvı basıncı silindirin etrafındaki akışı etkiler. Yüksek reynolds sayısı silindirin arka tarafındaki akışı zorlar.Kesme katmanlarının en iç kısmı, silindirle temas, en dıştaki kısma göre çok daha yavaş hareket eder serbest akış ile temas halinde olan makaslama tabakalarının kesme tabakaları birbirlerine katlandıkları ve ayrık olarak birleştikleri yakın menüye dönen vorteksler.

Reynolds sayısı, türbülanslı akış olasılığını gösterir bir sıvı. Örnek olarak, iki kürek aynı hızla -bir tanesi su kovası ve bir de bir kova boyayla- farklı Reynolds’a sahip olacak Çevresinde akan sıvı ile ilişkili sayılar. Içindeki Reynolds sayısı boya küveti genReynolds sayısı, (laminerden ziyade) türbülanslı akış olasılığını gösterir bir sıvı
Strouhal sayısı, Reynolds sayısının bir fonksiyonudur.

Von karman girdapları olarak bilinen modeller, akışkan akışın bir cisim tarafından engellendiği hemen hemen her yerde oluşabilir. Bu girdaplar akışın sıkışmaz ve kararlı bir modellemesidir. Von karman girdapları,atmosferdeki ve hatta okyanuslardaki büyük ölçekli sıvı hareketlerinin fiziksel bir yansımasıdır.

Atmosfer, sürekli hareket halinde bir akışkandır ve bu sadece rüzgar ile farkedilebilir. En iyi gözlemleme yolu da uydu görüntüleridir. Bu girdaplar normalde sıvı akışının bir cisim tarafından bozulduğu herhangi bir bölgede oluşur ve genellikle bazı atmosfer koşulları sağlandığında görülebilir. Rüzgarla yönlendirilen bulutlar bir adayla karşılaştığında etraflarında saat yönünde veya saat yönünün tersinde dönerler.

Akış gittikçe ,daha hızlı geçtiği zaman girdap görünür. Akış Newton yasalarına uymaktadır.
Bu sorun hala çözülememiştir ve kesin çözümü bulunamamıştır.

Kanarya adaları, Madeira adası, Cape verde adaları, Guadalajara ve Soccoro adası ve Juan Fernandez adaları en sık görüldüğü yerlerdir.

“Peki biz inşaat mühendislerini bu konu neden ilgilendiriyor?”

İnşaat mühendisleri binaların yapımı aşamasında burgaç etkilerini hesaba katarak tasarım yapmak zorunda kalmıştır. Aksi taktirde en büyük düşmanımız olan “Doğa” ile ters düşmüş oluruz ve bunu da hiçbir İnşaat Mühendisi istemez.