Kahve Makinesi Sütlük için CFD ve Termal Analiz

Bu yazı serimizde, hayatın içinden gündelik sorunlara nasıl nümerik çözümler getiriliyor bunlardan bahsedeceğiz. Baristaların olmazsa olmazı günlük hayatımızda da kullandığımız süt cezvelerinin (sütlük) içinde sıcak süt olduğu halde neden elimizi yakmadığı düşüncesi hepimizin aklına gelmiştir. İşte bu eşyaların neden elimizi yakmadığı hususu ısı transferiyle açıklanabilmektedir. Temel olarak ısı transferi; iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) mekanizmalarından meydana gelmektedir. Isı transferi mekanizmaları baz alınarak çözümler yapabilmek için bilinmesi gereken bazı terimler vardır. Bunlar; ısı iletim katsayısı, özgül ısı, yoğunluk ve iletim alanı gibi faktörlerdir. Bu faktörlerin tam olarak neleri etkilediğini açıklamak gerekirse;

1. Isı iletim katsayısı: Genellikle Sütlük gibi eşyalarda paslanmaz çelik olarak belirlenen bu malzemelerin ısıl iletkenlik katsayısının düşük olmasından kaynaklı olarak ısıyı hemen iletmezler ve özgül ısısının düşük olmasından dolayı da malzemenin birim kütlesine düşen ısı enerjisini daha az değiştirir. Bu durum ise ısıyı daha hızlı taşımak için daha fazla enerjiye ihtiyaç olduğu anlamı çıkarmaktadır.
2. Yoğunluk: Malzemelerin düşük yoğunlukta olması nedeniyle malzemenin ısıyı hızlı bir şekilde taşıması zorlaşacaktır.
3. İletim alanı: Malzemelerin tasarımlarından kaynaklı olarak ısıyla temas eden yüzeyden uzaklaştıkça ve temas alanı küçüldükçe ısının iletimi azalacaktır.

Sütlük kullanan baristaların ellerinin yanmaması, ısı transferi ve malzeme bilgisi ile açıklanabileceği gibi sütlük içerisine basılan yüksek sıcaklıktaki buharlı sütün köpürtülme mahareti de nümerik yöntemlerle açıklanabilir.

Benzer makinelerle evde kendimiz süt köpürtmeye çalıştığımızda muhtemelen başarısız oluruz çünkü süt köpürtmenin de kendine has yöntemleri olduğunu baristalardan görebiliriz. Gözlemleyemeyenler için bunları kısaca özetlemek gerekirse;

1. Süt dolumu sırasında sütlük pozisyonunu ve açısını ayarlama,
2. Süt sıcaklığı faktörünü dahil etme,
3. Elimizle sütlüğe hareket vererek gerçekleştirme

Tüm bu aşamaları nümerik yöntemlerle doğrulayabiliriz ya da optimize edebiliriz. Bunun için yeteneklerine güvendiğimiz açık kaynak veya ticari bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği çözümleme aracını kullanabiliriz.

Sütün cezve içerisine doldurulması, Volume Of Fluid (VOF) tekniğine dayanan Free Surface ile modellenebilmektedir. Aşağıdaki videoda da bu görülebilir.

Bu yöntem ile iki veya daha fazla birbirine karışmayan akışkanlar modellenir ve her bir akışkanın hacimsel bölüntülerin integrali olarak tanımlanır ve skaler bir fonksiyondur. Akışkanların hacim oranları izlenirken, tüm akışkanlar tek bir momentum denklemini taşır. Hücre hacmi ortalaması izlenen akışkan olmadığında VOF=0 olarak alınır. Eğer hücre izlenen akışkan ile dolduysa VOF=1 değerini alır. Ve izlenen ve izlenmeyen akışkanın bulunduğu serbest yüzey değeri akışkanların birbiri ile teması sonucunda 0<VOF<1 değeri arasındadır. Bu yöntem ile serbest yüzeyi belirgin bir şekilde tanımlamadığı için 0<VOF<1 kriteri üzerinde yani sınır tabakalar üzerinde iyileştirme yapılması gerekmektir.

Burada yapılacak çalışmaların kapsamı ve birebir modelleme olgusu tamamen analizleri yapacak mühendisin elindedir. Yapılacak kabuller ve geliştirilecek yaklaşımlar ile birebir modelleme olgusundan ne kadar saptığımız baz alınarak aşama aşama ilerlenebilir.

Örneğin, sütün dolumu VOF tekniği ile modellenebileceği gibi sütün köpürtülmesi için de buharlı püskürtme yapılabilir. Bu da bir yaklaşımdır ancak buharlı püskürtme olduğunda kütle transferi de hesaplamalara dahil olmalıdır. İşin içerisine kütle transferi de dahil olduysa çözücünün yetenekleri önem arz etmektedir.

Burada geliştirilecek yaklaşımlar ve kullanılacak yöntemler için literatür taraması mutlaka yapılmalıdır.

Görüldüğü gibi gerçek hayatta karşılaşılan bir durumun ya da sorunun fiziğini anlamak en önemli önceliğimiz olup sonrasında bu sorunu nümerik yöntemlerle nasıl çözebilirizi kısaca bu yazımızda özetlemeye çalıştık. Elbette bu konu hakkında konuşulacak çok şey var ancak özetle nümerik yöntemlerin farkında olmadan hayatımızı nasıl kolaylaştırdığını ve koşullarımızı nasıl iyileştirdiğini anlatmaya çalıştık.

Sizlerin de önerileriniz ve yazı serimizde incelememizi istediğiniz örnek vakalar var ise info@simunes.com mail adresi üzerinden bizlerle iletişime geçebilirsiniz.