Reynolds sayısı, bir yüzeydeki bir sıvının akışının doğada laminer mi yoksa türbülanslı mı olduğunu gösteren boyutsuz bir miktardır. Bilim dünyası rakamlarla doludur ve bilgi akışını oldukça basitleştiren belirli süreçleri veya varlıkları tanımlamak için kullanılan farklı parametreler vardır. Evrensel olarak kabul edilen normlar ve birimler, insanlığın yaptığı ilerlemelerde hayati bir rol oynamıştır. Dünyanın farklı laboratuvarlarında çalışan farklı bilim adamları ve ekipleri araştırmalarını verimli bir şekilde paylaşabilmektedir çünkü bilimsel terimler her yerde aynı anlama gelmektedir.
Bilim alanında yaygın olarak kullanılan böyle bir parametre Reynolds sayısıdır. George Stokes tarafından ilk kez 1851 yılında tanıtılan Reynolds sayısı kavramı, fikri 19. yüzyılın sonlarında popülerleştiren yenilikçi Osborne Reynolds’dan almıştır. Bugün bilim ve mühendislik alanında eğitim alan birine öğretilen ilk şeylerden biridir.
Reynolds Sayısı Nedir?
Bir nesne her türlü ortamda hareket ettiğinde, çevrenin koşullarını değiştirmektedir ve bu nedenle bu değişikliğin sonucu olarak ortaya çıkan bir kuvvete maruz kalmaktadır. Örneğin, bir su akışında hareket eden bir yüzücü; sudan geçerken, su moleküllerini konumlarından uzaklaştırır ve su molekülleri yüzücünün hareketine karşı bir kuvvet (veya direnç) uygulayarak başlangıç konumlarını tekrar elde etmeye çalışmaktadır. Bu tür nesneler bu tür herhangi bir sıvı boyunca aktığında, akışlarına karşı direnç ve dolayısıyla akış düzenleri, Reynolds Sayısı adı verilen boyutsuz bir miktar ile tahmin edilmektedir. Konsept, kendi molekülü olmayan bir vakum hariç, her nesnenin herhangi bir ortamdaki hareketinde uygulanabilmektedir. Bir algılayıcıdaki Reynolds sayısı, bir sıvının aerodinamik ve akış modellerini tahmin etmek için kullanılmaktadır.
Atalet Gücü
Reynolds sayısının bilimsel tanımı, hareketli nesne üzerindeki atalet kuvveti ile viskoz veya sürtünme kuvveti arasında bir oran olduğunu belirtmektedir. Örneğin kişi belli bir hızda koşup durmaya çalıştığında, vücut koşmaya devam etmek istediği için belirli bir güç gerektirir. Benzer şekilde, dinlenme halindeki vücut, istirahatte olmaya devam etmek istediği için koşuyu başlatmak için bir itmeye veya bir tür güce ihtiyaç duymaktadır. Bir bedenin değişimi önleme ve mevcut dinlenme veya hareket halinde olmaya devam etme eğilimine atalet denmektedir. Atalet özelliği Newton tarafından ortaya atılmıştır ve fizikte en temel ve evrensel olarak uygulanabilir kavramlardan biridir.
Viskoz Kuvvet
Viskozite veya viskoz kuvvetler atalete kıyasla nispeten yeni bir kavramdır. 1829 yılında Fransız fizikçi Jean-Louis-Marie Poiseuille tarafından insan vücudunda kan dolaşımını incelerken keşfedilmiştir. Bir sıvının deformasyonuna karşı sağladığı direnci ölçmektedir. Bir sıvı hareket halindeyken, farklı katmanları arasında sıvının serbest hareketini durdurmaya çalışan sürtünme vardır. Bu sürtünme kuvveti, sıvılarda genellikle kalınlık olarak adlandırılan viskozite açısından nicelendirilir. Bir sıvı harekete geçirildiğinde, onu hareket halinde tutmak isteyen atalet kuvveti ile durdurmaya çalışan viskoz kuvvet arasında sürekli bir çekişme vardır. Reynolds sayısı sadece bu çekişmeyi kimin kazandığını göstermektedir. Viskoz kuvvetler baskınsa, laminer adı verilen bir akış vardır ve Atalet kuvvetleri baskınsa, akış çalkantılı olmaktadır. Reynolds sayısı, bu iki hareket türünden hangisinin geçerli olacağını söylemektedir.
Laminer Akış
Laminer veya düzgün akış, sıvının bu iki katman arasında bozulma olmadan sonsuz küçük paralel katmanlarda hareket ettiği ideal akış tipini göstermektedir. Sıvı düzenli yollarda sorunsuz bir şekilde hareket edebilmektedir ve belirli bir parçacığın yerini herhangi bir zamanda tahmin edilebilmektedir. Böyle bir akıştaki sıvı katmanlarının birbiri üzerinde kaydığı düşünüldüğünde viskoz kuvvetler devreye girmemektedir. Örneğin, bir tüp veya borudan düzgün bir şekilde akan viskoz bir sıvıyı düşünülebilir. Viskozitesinin bir sonucu olarak, sıvı, yüzeye temas ettiği kenarlarda sıfır hıza sahipken, hızı tüpün enine kesitinin merkezine doğru artmaktadır. Bu laminer akışın mükemmel bir örneğidir.
Günlük laminer akış örnekleri, bir uçak kanadı üzerindeki hava akışını içermektedir. Reynolds sayısı ve laminer akış arasındaki ilişki, sıvının aktığı yüzeyde bulunan sistemin türüne bağlı olarak değişmektedir. Bir borudaki akışlar için laminer akış genellikle Reynolds sayısının 1800’ün altında gerçekleşmektedir. Bir plakadaki akışlar için bu sayı 0,5 milyona yükselmektedir.
Türbülanslı Akış
Türbülanslı akış laminarın tam tersidir. Düzensiz dalgalanmalar ve akışkanın içinde karışmasını içermektedir, bu da yolunu tahmin edilemez hale getirmektedir. Böyle bir deşarj, sıvı hızı ve basıncında benzeri görülmemiş ve kaotik değişiklikler ile karakterizedir. Sıvı parçacıkları, yüzeyin viskozitesinin üstesinden gelmeye yardımcı olan aşırı kinetik enerjiye sahiptir. Örnek olarak bir baraj düşünüldüğünde: kapıları aniden açıldığında, su rastgele sırayla fışkırır ve mümkün olan her alanı işgal etmektedir. Bu türbülanslı akışın bir örneğidir. Akıntılar yumuşak görünse bile, nehirlerin ve rüzgarın akışı bu anlamda genellikle çalkantılıdır.
Türbülanslı akış için Reynolds sayısı yine eldeki durumda sistemin türüne bağlı olarak değişmektedir. Borulardaki akış için türbülanslı akış genellikle 2100’den büyük bir Reynolds sayısı için oluşmaktadır. Bu durumda 1800-2100 aralığına geçiş bölgesi denmektedir ve oldukça karmaşık bir fenomendir. Plakalar üzerindeki akış için, 0,5 milyon kritik Reynolds sayısıdır ve bu rakamın üzerinde meydana gelen tüm akışlar doğada çalkantılıdır.
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu