KaydedilenlerDerginizi ekleyin

Dergiler / Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi / 2026 / Cilt: 17 Sayı: 2

Süpersonik Ejektörlerde Karışım Artırımı ile Momentum Korunumu Arasındaki Dengenin Sağlanması: Sinüzoidal Karışma Odası Geometrisi Üzerine Sayısal Bir İnceleme

Balancing Mixing Enhancement and Momentum Conservation in Supersonic Ejectors: A Numerical Investigation of Sinusoidal Mixing Chamber Geometry

Hayati Töre(Hitit University)0000-0002-1855-9182
Sayfa
—
Yayın Tarihi
2026-07-12
🏛️Bu makalenin bibliyografik verileri ve tam metin bağlantısı DergiPark üzerinden sağlanmıştır.
DergiPark Kaydı ↗
✨

Yapay Zeka Hızlı Bakış & Çıkarımlar

AI Insight
⚡ TL;DR(1 Cümlede Hızlı Çıkarım)

Elde edilen sayısal bulgular, sinüzoidal modülasyonun güçlü akış yönlü girdapları ve şok-sınır tabakası etkileşimlerini tetikleyerek iç akış alanını temelden yeniden şekillendirdiğini ve süpersonik potansiyel çekirdeğin sönümlenmesini hızlandırdığını göstermektedir. 1,5 değerindeki sabit boyutsuz dalga boyunda, genliğin 0,01'den 0,03'e çıkarılmasının türbülans kinetik enerjisi üretimini sistematik olarak artırdığı; ancak birincil jet momentumunun türbülanslı dalgalanmalara harcanması nedeniyle bu yoğun karışımın sürükleme oranında bir düşüşe yol açtığı tespit edilmiştir.

📌 3 Maddede Bu Makale

🎯
Amaç & Hipotez:Bu çalışma, R134a akışkanlı bir süpersonik ejektörde, karışma odası içerisindeki sinüzoidal duvar yapılarının akış fiziği ve sistem performansı üzerindeki etkilerini kapsamlı bir üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analiziyle ele almaktadır.
📊
Temel Bulgular & Veri:Araştırmada "eşit alan" kısıtlaması uygulanarak, boyutsuz genlik ve dalga boyunun iç gaz dinamiği üzerindeki etkileri birbirinden ayrıştırılmış; böylece performans değişimlerinin doğrudan duvar kaynaklı akış fenomenlerinden kaynaklanması sağlanmıştır.
💡
Sonuç & Katkı:Elde edilen sayısal bulgular, sinüzoidal modülasyonun güçlü akış yönlü girdapları ve şok-sınır tabakası etkileşimlerini tetikleyerek iç akış alanını temelden yeniden şekillendirdiğini ve süpersonik potansiyel çekirdeğin sönümlenmesini hızlandırdığını göstermektedir. 1,5 değerindeki sabit boyutsuz dalga boyunda, genliğin 0,01'den 0,03'e çıkarılmasının türbülans kinetik enerjisi üretimini sistematik olarak artırdığı; ancak birincil jet momentumunun türbülanslı dalgalanmalara harcanması nedeniyle bu yoğun karışımın sürükleme oranında bir düşüşe yol açtığı tespit edilmiştir.
🔬Tür:Uygulamalı Anket & Alan Araştırması
📍Kapsam:Genişletilmiş Akademik Örneklem
⚙️Değişkenler:Süpersonik Ejektör · Sinüzoidal Karışma Odası · HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği)

Özet

Bu çalışma, R134a akışkanlı bir süpersonik ejektörde, karışma odası içerisindeki sinüzoidal duvar yapılarının akış fiziği ve sistem performansı üzerindeki etkilerini kapsamlı bir üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analiziyle ele almaktadır. Araştırmada "eşit alan" kısıtlaması uygulanarak, boyutsuz genlik ve dalga boyunun iç gaz dinamiği üzerindeki etkileri birbirinden ayrıştırılmış; böylece performans değişimlerinin doğrudan duvar kaynaklı akış fenomenlerinden kaynaklanması sağlanmıştır. Sayısal modelleme stratejisi kapsamında; şok dalgaları, kayma tabakaları ve türbülanslı dalgalanmalar arasındaki karmaşık etkileşimleri hassasiyetle çözümleyebilmek adına NIST REFPROP veri tabanından alınan gerçek gaz hal denklemi, k-omega Shear Stress Transport (SST) türbülans modeli ile entegre edilmiştir. Elde edilen sayısal bulgular, sinüzoidal modülasyonun güçlü akış yönlü girdapları ve şok-sınır tabakası etkileşimlerini tetikleyerek iç akış alanını temelden yeniden şekillendirdiğini ve süpersonik potansiyel çekirdeğin sönümlenmesini hızlandırdığını göstermektedir. 1,5 değerindeki sabit boyutsuz dalga boyunda, genliğin 0,01'den 0,03'e çıkarılmasının türbülans kinetik enerjisi üretimini sistematik olarak artırdığı; ancak birincil jet momentumunun türbülanslı dalgalanmalara harcanması nedeniyle bu yoğun karışımın sürükleme oranında bir düşüşe yol açtığı tespit edilmiştir. Buna karşın, 0,02 sabit genlikte dalga boyunun artırılması, türbülans enerjisinin daha geniş bir eksenel alana yayılmasını sağlayarak karışım iyileştirme ile momentum korunumu arasında daha verimli bir dengenin kurulmasına olanak tanımıştır. Analizler sonucunda tanımlanan boyutsuz zorlama parametresi aracılığıyla, aşırı verim kaybı yaşanmadan kontrollü karışım sağlayan en uygun konfigürasyon “Vaka 6” olarak belirlenmiştir. Bu bulgular, yüksek performanslı süpersonik ejektörlerde karışma odalarının pasif optimizasyonu için ölçeklenebilir bir tasarım çerçevesi sunmaktadır.

Abstract

This study presents a comprehensive three-dimensional Computational Fluid Dynamics investigation into the impact of sinusoidal wall structures within the mixing chamber on the flow physics and performance of an R134a-driven supersonic ejector. By imposing an equal-area constraint, the study disentangles the influence of dimensionless amplitude and wavelength on internal gas dynamics, ensuring that performance variations are strictly attributable to wall-induced flow phenomena. The numerical framework integrates a real-gas equation of state derived from the NIST REFPROP database with the k-omega Shear Stress Transport turbulence model to accurately resolve the intricate interactions between shocks, shear layers, and turbulent fluctuations. Numerical results demonstrate that sinusoidal modulation fundamentally reshapes the internal flow field by triggering potent streamwise vortices and shock-boundary layer interactions, which accelerate the collapse of the supersonic potential core. At a constant dimensionless wavelength of 1.5, increasing the amplitude from 0.01 to 0.03 was found to systematically amplify turbulence kinetic energy production; however, this intensified mixing led to a decline in the entrainment ratio as primary jet momentum was dissipated into turbulent fluctuations. Conversely, increasing the wavelength at a fixed amplitude of 0.02 redistributed turbulence energy over a broader axial extent, facilitating a more efficient balance between mixing enhancement and momentum conservation. The analysis introduces a dimensionless forcing parameter, identifying Case 6 as the optimal configuration for achieving controlled mixing without excessive efficiency loss. These findings establish a scalable design framework for the passive optimization of mixing chambers in high-performance supersonic ejectors.

🔖

Bu Makaleye Atıf Yap

Töre, H. (2026). Süpersonik Ejektörlerde Karışım Artırımı ile Momentum Korunumu Arasındaki Dengenin Sağlanması: Sinüzoidal Karışma Odası Geometrisi Üzerine Sayısal Bir İnceleme. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, Cilt: 17 Sayı: 2. https://doi.org/10.24012/dumf.1866561

📄 Tam Metin PDF Okuyucu

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

Kaynakça (36)

  1. P. Haghparast, M. V. Sorin, and H. Nesreddine, “The impact of internal ejector working characteristics and geometry on the performance of a refrigeration cycle,” Energy, vol. 162, pp. 728–743, 2018, doi: 10.1016/j.energy.2018.08.017.
  2. D. Duan, H. Ge, X. Xi, and B. Zhang, “Performance and mixing process investigation of a novel mixing-enhanced ejector,” Sustain. Energy Technol. Assessments, vol. 58, no. June, p. 103322, 2023, doi: 10.1016/j.seta.2023.103322.
  3. Z. Aidoun and M. Ouzzane, “The effect of operating conditions on the performance of a supersonic ejector for refrigeration,” Int. J. Refrig., vol. 27, no. 8, pp. 974–984, 2004, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2004.05.006.
  4. A. R. Srikrishnan, J. Kurian, and V. Sriramulu, “Experimental study on mixing enhancement by petal nozzle in supersonic flow,” J. Propuls. Power, vol. 12, no. 1, pp. 165–169, 1996, doi: 10.2514/3.24006.
  5. G. Al-Doori, K. Saleh, A. Al-Manea, R. Al-Rbaihat, Y. Altork, and A. Alahmer, “A review of axial and radial ejectors: Geometric design, computational analysis, performance, and machine learning approaches,” Appl. Therm. Eng., vol. 266, no. January, p. 125694, 2025, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2025.125694.
  6. S. Kim and S. Kwon, “Experimental determination of geometric parameters for an annular injection type supersonic ejector,” J. Fluids Eng. Trans. ASME, vol. 128, no. 6, pp. 1164–1171, 2006, doi: 10.1115/1.2353264.
  7. M. Hamzaoui, H. Nesreddine, and Z. Aidoun, “A Numerical and Experimental Performance Assessment of a Single-Phase Supersonic Ejector,” Arab. J. Sci. Eng., vol. 47, no. 7, pp. 8899–8913, 2022, doi: 10.1007/s13369-021-06437-2.
  8. J. Chen, Z. Wang, J. Wu, and W. Xu, “Investigation on the pressure matching performance of the constant area supersonic-supersonic ejector,” Therm. Sci., vol. 9, no. 2, pp. 631–643, 2015, doi: 10.2298/TSCI120405114C.
  9. L. Cai, H. T. Zheng, Y. J. Li, and Z. M. Li, “Computational fluid dynamics simulation of the supersonic steam ejector. Part 2. Optimal design of geometry and the effect of operating conditions on the ejector,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci., vol. 226, no. 3, pp. 715–723, 2012, doi: 10.1177/0954406211415779.
  10. J. Kracik and V. Dvorak, “Development of an Analytical Method for Predicting Flow in a Supersonic Air Ejector,” EPJ Web Conf., vol. 114, pp. 1–6, 2016, doi: 10.1051/epjconf/201611402059.
  11. X. Yang, X. Long, and X. Yao, “Numerical investigation on the mixing process in a steam ejector with different nozzle structures,” Int. J. Therm. Sci., vol. 56, pp. 95–106, 2012, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2012.01.021.
  12. O. Lamberts, P. Chatelain, and Y. Bartosiewicz, “Numerical and experimental evidence of the Fabri-choking in a supersonic ejector,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 69, no. January, pp. 194–209, 2018, doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.01.002.
  13. J. Kracik and V. Dvorak, “Secondary flow choking in axisymmetric supersonic air ejector with adjustable motive nozzle,” Appl. Therm. Eng., vol. 204, no. November 2021, p. 117936, 2022, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117936.
  14. V. Dvorak and P. Safarik, “Transonic instability in entrance part of mixing chamber of high-speed ejector,” J. Therm. Sci., vol. 14, no. 3, pp. 258–264, 2005, doi: 10.1007/s11630-005-0011-5.
  15. Z. Jian-Jun, Z. Jin, L. Hui-Qiang, and H. Yong, “Experimental investigation on starting process of supersonic single-stage air ejector,” J. Therm. Sci., vol. 21, no. 4, pp. 348–353, 2012, doi: 10.1007/s11630-012-0554-1.
  16. J. Dong, X. Wang, and J. Tu, “Numerical Research about the Internal Flow of Steam-jet Vacuum Pump: Evaluation of Turbulence Models and Determination of the Shock-mixing Layer,” Phys. Procedia, vol. 32, no. August 2010, pp. 614–622, 2012, doi: 10.1016/j.phpro.2012.03.608.
  17. Y. Shan, J. zhou Zhang, and X. wen Ren, “Numerical modeling on pumping performance of piccolo-tube multi-nozzles supersonic ejector in an oil radiator passage,” Energy, vol. 158, pp. 216–227, 2018, doi: 10.1016/j.energy.2018.06.001.
  18. Z. X. Yang, J. Y. Zhang, F. N. Cheng, L. J. Chen, J. X. Geng, and Z. X. Gong, “Numerical study of structural parameters on the performance of piccolo-tube muti-nozzles supersonic ejector in air-cooled passage,” Case Stud. Therm. Eng., vol. 69, no. July 2024, p. 105982, 2025, doi: 10.1016/j.csite.2025.105982.
  19. M. A. Talebiyan, M. Nili-Ahmadabadi, and M. Y. Ha, “Performance enhancement of supersonic ejectors via aerodynamic cavities: A numerical parametric study,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 39, no. 1, pp. 259–274, 2025, doi: 10.1007/s12206-024-1225-3.
  20. M. Dandani, V. Lepiller, A. Ghezal, and P. Desevaux, “Numerical visualizations of mixing enhancement in a 2D supersonic ejector,” Fluid Dyn. Mater. Process., vol. 14, no. 1, pp. 23–37, 2018, doi: 10.3970/fdmp.2018.014.023.
  21. Z. Li, Y. Wang, W. Xu, T. Liang, and S. Zhang, “Experimental and Numerical Studies on the Performance and Mixing Characteristics of Supersonic Annular Ejector,” Heat Transf. Eng., vol. 0, no. 0, pp. 1–20, 2025, doi: 10.1080/01457632.2025.2571268.
  22. L. Cai and M. He, “A numerical study on the supersonic steam ejector use in steam turbine system,” Math. Probl. Eng., vol. 2013, pp. 1–10, 2013, doi: 10.1155/2013/651483.
  23. L. Vojta, J. Kracik, and V. Dvorak, “Introductory Numerical Study on Supersonic Ejector Working with R32,” EPJ Web Conf., vol. 213, p. 02096, 2019, doi: 10.1051/epjconf/201921302096.
  24. K. Ariafar, T. Cochrane, R. Malpress, and D. Buttsworth, “Pitot and static pressure measurement and CFD simulation of a co-flowing steam jet,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 97, no. April, pp. 36–47, 2018, doi: 10.1016/j.expthermflusci.2018.04.004.
  25. L. Zheng, Y. Zhang, L. Hao, H. Lian, J. Deng, and W. Lu, “Modelling, Optimization, and Experimental Studies of Refrigeration CO2 Ejectors: A Review,” Mathematics, vol. 10, no. 22, 2022, doi: 10.3390/math10224325.
  26. H. Zhang, L. Wang, L. Jia, H. Zhao, and C. Wang, “Étude De L’Influence De La Friction Sur La Performance D’Un Éjecteur Supersonique,” Int. J. Refrig., vol. 85, pp. 229–239, 2018, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2017.09.028.
  27. D. V. Brezgin, K. E. Aronson, F. Mazzelli, and A. Milazzo, “The surface roughness effect on the performance of supersonic ejectors,” Thermophys. Aeromechanics, vol. 24, no. 4, pp. 553–561, 2017, doi: 10.1134/S0869864317040060.
  28. J. Kracik and V. Dvorak, “Effect of wall roughness on secondary flow choking in supersonic air ejector with adjustable motive nozzle,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 103, no. June, p. 109168, 2023, doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109168.
  29. G. Al-Doori, K. Saleh, A. Al-Manea, R. Al-Rbaihat, Y. Altork, and A. Alahmer, “A review of axial and radial ejectors: Geometric design, computational analysis, performance, and machine learning approaches,” Appl. Therm. Eng., vol. 266, no. January, p. 125694, 2025, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2025.125694.
  30. K. Śmierciew, D. Butrymowicz, J. Karwacki, M. J. Bergander, and J. Gagan, “Design, fabrication, and investigations of prototype supersonic micro-ejector for innovative cooling system of electronic components,” Int. J. Refrig., vol. 153, no. May, pp. 323–336, 2023, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2023.05.018.
  31. T. Liang, Z. Li, W. Xu, S. Zhang, and W. Ye, “Experimental and numerical studies on the performance of a precooled supersonic ejector,” Appl. Therm. Eng., vol. 253, no. June, p. 123823, 2024, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123823.
  32. M. Majchrzyk et al., “Detailed numerical investigation of the CO2 two-phase ejector 3-D CFD model based on the flow visualisation experiments,” Chem. Eng. Process. - Process Intensif., vol. 182, no. February, p. 109195, 2022, doi: 10.1016/j.cep.2022.109195.
  33. J. García del Valle, J. M. Saíz Jabardo, F. Castro Ruiz, and J. F. San José Alonso, “An experimental investigation of a R-134a ejector refrigeration system,” Int. J. Refrig., vol. 46, pp. 105–113, Oct. 2014, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2014.05.028.
  34. B. J. Huang, J. M. Chang, C. P. Wang, and V. A. Petrenko, “A 1-D analysis of ejector performance,” Int. J. Refrig., vol. 22, no. 5, pp. 354–364, Aug. 1999, doi: 10.1016/S0140-7007(99)00004-3.
  35. F. Kong, Y. Jin, T. Setoguchi, and H. D. Kim, “Numerical Analysis of Chevron Nozzle Effects on Performance of the Supersonic Ejector-Diffuser System,” J. Therm. Sci., vol. 22, no. 5, pp. 459–466, 2013, doi: 10.1007/s11630-013-0648-4 Article.
  36. Simcenter, “FloEFD,” 2025, Siemens: v25.12.