Sınır tabakası türbülansı konusu, akışkanlar mekaniğinin en önemli ve en çok çalışılan konularından biridir. Özellikle sınır tabakalarında laminar akımdan türbülanslı akıma geçiş problemi 100 yılı aşkın süredir çalışılmasına rağmen, hala cevap bekleyen birçok soru bulunmaktadır. Gelişmekte olan sınır tabakalarında türbülansa geçiş için Reynolds sayısı cinsinden yerleşmiş kriterler olmasına karşın, türbülansa geçişte gözlemlenen farklı akım yapılarının (coherent structures) hangilerinin türbülans ile geliştiği (büyüdüğü) veya sönümlendiği (bozunduğu); akışkan hızı, ivmesi ve basıncı gibi akım parametrelerinde türbülansa geçiş sırasında lokal olarak hangi değişikliklerin olduğu; bu akım yapıları ile akım parametreleri arasındaki sebep-sonuç ilişkisinin türbülansa geçiş mekanizması açısından tam olarak hangi esaslara dayandığı gibi sorulara net yanıtlar bulabilmek için halihazırda birçok bilimsel çalışma yapılmaktadır. Laminar akımdan türbülanslı akıma geçiş; nehir yatağı veya deniz tabanındaki akım-taban etkileşimi süreçleri, akım-yapı etkileşimi problemleri, katı madde taşınımı, akım direnci, fırtına dalgaları ve uzun dalgaların tabanla etkileşimi problemleri, atmosferik sınır tabakalarında difüzyon-dispersiyon gibi birçok farklı alanı ilgilendirmektedir.

Önerilen bu projede, hem kararlı üniform olmayan (akım yönünde mesafe ile değişen) hem de kararsız (zaman ile değişen) sınır tabakalarında laminar akımdan türbülanslı akıma geçiş rejimi niteliksel ve niceliksel olarak incelenecektir. Cevap aranacak sorulardan bazıları şunlardır: Türbülansa geçiş sürecinde sınır tabakasındaki tipik geometrik, kinematik ve dinamik koşullar nelerdir? Bu koşullar hangi akım yapıları ile ilişkilidir? Sınır tabakasında türbülansın belirlemesi ve gelişmesi ile ilgili olarak akım parametrelerinin (hız ve basınç) anlık değerleri ve alansal dağılımları nasıldır?

Önerilen projede iki ana yöntem izlenecektir. İlk yöntem fiziksel modellemedir. Parçacık görüntüsü hızölçer (PIV) ve lazer düzlemi ile akım görselleştirme teknikleri kullanılarak laboratuvarda iki farklı türdeki gelişmekte olan sınır tabakasında laminar akımdan türbülanslı akıma geçiş incelenecektir: (1) Bir plaka üzerinde gelişen üniform olmayan kararlı akım altındaki sınır tabakası ve (2) İlerleyen dalgalar altındaki kararsız (salınımlı) sınır tabakası. İlk durumdaki sınır tabakası ile yapılan deneylerde, boykesit boyunca laminardan türbülansa geçiş durumu boyutsuz mesafenin (mesafe Reynolds sayısının) bir fonksiyonu olarak incelenecektir. Ayrıca plakadan farklı mesafelerdeki yatay düzlemler üzerinde de benzer analizler gerçekleştirilecektir. Literatürde birçok farklı komplike akım koşulunda laminardan türbülansa geçiş rejimi incelenmiş olmasına karşın, önerilen bu projedeki gibi bir temel problem üzerinde ayrıntılı gözlem ve analizler gerçekleştirilmemiştir. İncelenen ikinci durum olan dalga sınır tabakasında ise akım üniform olup sabit bir gözlem penceresinde sınır tabakasının zamansal değişimi incelenecektir. Türbülans emarelerinin ve türbülansla ilişkili akım yapılarının gözlemlendiği anlarda (ve bu anların hemen öncesinde) akım parametrelerinin anlık değerleri ve alansal dağılımları belirlenecek, bu akım yapıları ile akım parametreleri arasındaki sebep-sonuç ilişkileri irdelenecektir. Literatürde salınımlı sınır tabakaları için laminardan türbülansa geçişi inceleyen bazı çalışmalar olmasına karşın, ilerleyen dalgalar altındaki sınır tabakasında geçiş rejimi ile ilgili bir çalışma bulunmamaktadır. Ayrıca hem pürüzsüz hem de pürüzlü taban üzerinde türbülansa geçişin çalışılacak olması, bu proje önerisinin diğer bir özgün değeri olarak ortaya çıkmaktadır.

Projede izlenecek ikinci yöntem ise Doğrudan Sayısal Benzeştirme (DNS) tekniği kullanılarak gerçekleştirilecek sayısal modellemedir. DNS tekniği, özellikle türbülanslı veya geçiş rejimindeki akımlar için hiçbir ampirik yaklaşım veya basitleştirmeye gerek olmadan akımın fiziğini tam anlamıyla benzeştirmeye olanak tanımaktadır. Bu doğrultuda, yukarıda tanımlanmış olan iki tipteki gelişmekte olan sınır tabakası, açık kaynak kodlu Nektar++ yazılımı kullanılarak DNS yöntemi ile modellenecektir. Öncelikle, fiziksel model çalışmasından elde edilen veriler kullanılarak sayısal model doğrulanacak, daha sonra doğrulanmış sayısal model ile fiziksel modelde ölçülemeyen parametreler ölçülebilecek ve deneysel olarak incelenemeyecek özellikteki farklı akım koşulları (örneğin yüksek dalga Reynolds sayısına sahip salınımlı sınır tabakaları) da incelenebilecektir. Fiziksel modelleme ve sayısal modelleme yöntemlerinin birlikte ve tamamlayıcı biçimde kullanılması, önerilen çalışmanın özgün değerini arttıran diğer bir noktadır.

Önerilen proje, uygulamalı bir araştırma probleminden ziyade “temel bir araştırma problemi” niteliğindedir. Dolayısıyla önerilen projenin başarıyla tamamlanması ile yüksek etki faktörlü ve prestijli bilimsel dergilerde nitelikli yayınlar ortaya çıkacağı öngörülmektedir. Proje başarıyla tamamlandığında, laminar akımdan türbülanslı akıma geçiş ve türbülansın başlangıcı ile ilgili birçok karanlık nokta aydınlatılmış olacaktır.