Development of a simplified scheme for intrinsic low - dimensional manifolds by exploiting the hierarchical structures of hydrocarbon fuels
Düşük boyutlu çözüm uzayı yönteminin yüksek hidrokarbonlu yakıtların hiyerarşik yapıları kullanılarak geliştirilmesi
- Tez No: 142718
- Danışmanlar: PROF. DR. İ. BEDİİ ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
DÜŞÜK BOYUTLU ÇÖZÜM UZAYI YÖNTEMİNİN YÜKSEK HİDROKARBONLU YAKITLARIN HİYERARŞİK YAPILARI KULLANILARAK GELİŞTİRİLMESİ ÖZET Günümüzde, çalkantılı yanma işlemlerinin baskın olduğu, reaktif akışların sayısal gerçeklenmesi uygulamalarında kullanılmak üzere basitleştirilmiş modellerin geliştirilmesi konusunda yoğun olarak çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bu tür akışlarda oluşan çalkantı yapılarının Reynolds ortalamak Navier-Stokes veya büyük akım paketçikleri gibi çeşitli yöntemlerle elde edilmesi olanaklıyken yanma doğasının temel denklemlerde kaynak terimlerini oluşturması çözümleri daha da zorlaştırmaktadır. Her ne kadar kimyasal kaynak terimlerinin yanma esnasında oluşan bütün tepkimelerin ve bileşenlerin incelenmesi yardımıyla elde edilmesi mümkün olsa da, bu tür bir çalışma binlerce reaksiyonun ve bir o kadar da bileşenin incelenmesini gerektirdiği için özellikle de 3 boyutlu, çalkantılı reaktif akışların modellenmesi uygulamalarında günümüz bilgisayarlarının işlemci ve depolama kapasitesini kat be kat aşmaktadır. Bu açıdan akış fiziğinin yanı sıra kimya kinetiğinin de basitleştirilmesi gereklilik kazanmaktadır. Düşük boyutlu çözüm uzayı (DBÇU) yöntemi kimya kinetiğini dinamik sistem olarak algılayarak basitleştirilmiş kimyasal kaynak terimlerinin elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Ancak, reaktif akışların DBÇU ile basitleştirilmesi halen özellikle yüksek hidrokarbonlu yakıtların yanması için geliştirilmesi gereken bir yöntemdir. Yanma uygulamalarında yakıt sistemi karmaşıklaştıkça oluşan ara tepkimelerin sayısı da çözümü zorlaştıracak bir şekilde artmaktadır. Yanma işlemlerinin kinetiğinin anlaşılması için çeşitli hidrokarbon yakıtları için gerçekleştirilen hassaslık analizleri CH3 ve C2H5 radikallerinin oksidasyonunun bütün sistemin hızını belirlediğini göstermektedir. Bu açıdan yüksek hidrokarbonlu yakıtların detaylı yanma mekanizmalarının oluşturulması sırasında izlenen yöntem C1-C4 tepkime mekanizmalarının üzerine yakıta ait özel tepkimelerin eklenmesidir. Bu durumun bir sonucu olarak, mekanizmaya sonradan eklenen tepkimelerin yol açtığı özdeğerlerin C1-C4 mekanizmasından elde edilenlerden küçük olması durumunda çözüm uzayında benzer yüzey özellikleri göstermektedir. Bu hiyerarşik yapı, CH4 için elde edilen detaylı yanma mekanizmalarının CsHıg yakıtı için de kullanılabileceğini göstermektedir. Değişik yanma sistemleri için gerçekleştirilen sayısal gerçekleme uygulamalarında aynı karakteristik eğrilerin görülmesi de hidrokarbonlu yakıtların detaylı mekanizmalarının hiyerarşik yapıları ile açıklanmaktadır. DBÇU yönetemi ile yüksek hidrokarbonlu yakıtların sayısal gerçeklenmesine imkan tanıyacak şekilde kimyasal kinetiğin hiyerarşik yapısı da kullanılarak basitleştirilmiş bir model geliştirilmiştir. Bu model yardımıyla DBÇU programı basit yakıtlarla başlayıp istenen yakıtta biten ardışık sayısal gerçeklemeler yapabilmekte ve çözüm tablolarında basit yakıtlar için bulunan veri kalıplarının bir sonraki hesaplama için de kullanabilmektedir. Çözüm uzayında kütle oranları ile ifade edilen çözüm bölgeleri içinde hesaplama yapmanın mümkün olmadığı bölgeler bulunbilmektedir. Klasik DBÇU yöntemi sayısal gerçeklemenin kimyası hakkında bir fikir sahibi xvolmadığından dolayı çözüm tablolarının oluşturulması sırasında zamanın büyük bir bölümünü bu tür bölgelerde hesaplama yapmakla geçirmektedir. Değiştirilmiş modelde yüksek hidrokarbonlu yakıtlar için DBÇU sayısal gerçeklemesi sırasında, basit yakıtlar için elde edilen veri kalıplarının başlangıç koşullan olarak kullanılması yardımıyla bu tür bölgelerin Önceden algılanarak çözüm zamanını oldukça düşürülmesi öngörülmektedir. Yüksek lisans tezi kapsamında, DBÇU yönteminin elde var olan kaynak kodu değiştirilmiş ve doğruluğu değişik yakıt sistemleri için çalıştırılarak test edilmiştir. Sonuçlar değiştirilmiş programın gerçeğe çok yakın doğrulukta çözümler verdiğini göstermektedir. Ayrıca basit yakıtlar için elde edilen sonuç tabloları çözüm uzayında büyük bir alan işgal ederken, değiştirilmiş model gerçek sistemdeki sınırları da büyük bir hassaslıkta yakalayabilmektedir. Bu açıdan başlangıç değerlerinin sonucu yanlış yerlere doğru götürmediğini görmek sevindirici bir sonuçtur. Hata irdelemeleri sonucunda H2O kütle oranının düşük değerleri için hatanın % 0.5 ile 1 arası gelmekte olduğu görülmüştür. H2O kütle oranın artışı ise yerel hata değerlerini %9 mertebesine doğru çekmektedir. XVI
Özet (Çeviri)
DEVELOPMENT OF A SIMPLIFIED SCHEME FOR INTRINSIC LOW- DIMENSIONAL MANIFOLDS BY EXPLOITING THE HIERARCHICAL STRUCTURES OF HYDROCARBON FUELS SUMMARY In recent years, there has been an increasing attempt to improve techniques used in the simulation of the reactive flows, where the turbulent combustion processes are of greater importance. Apart from the difficulty imposed by the turbulent flow field, which can be resolved by using appropriate procedures such as Reynolds averaged Navier-Stokes or large eddy simulations, the combustion processes add further intricacy into the governing equations in that the reactions occurring within the combustion zone effects the chemical source terms of the species. Even though the source terms can be calculated by tracking the elementary reactions, this procedure may end up with a detailed investigation of thousands of reactions with many species, which is beyond the current capacity of the most of the computer storages, especially for 3-D turbulent reactive flow applications. Thus, it is highly desirable to develop methods that can simplify the reaction kinetics without loss of accuracy. In this respect, the Intrinsic Low-Dimensional Manifolds (ILDM) method is a promising procedure, which can be used for simplifying the chemical kinetics, based on the dynamical system approach. However, simulation of the reactive flows with ILDM is still a challenging task compared with the conventional simplification methods. Apart from its advantages, some aspects of the ILDM require improvement, in particular, for high hydrocarbon fuels. It is known that, as the complexity of the fuel increases, the number of the reactions involved in the combustion also increases, resulting in a much more stiff equation system. Sensitivity analyses, performed for different hydrocarbon fuels to understand the overall kinematics of the combustion processes show that the rate-limiting part of the detailed mechanisms is the oxidation of the CH3 and C2H5 radicals. Thus, the strategy in the development of detailed reaction mechanisms for high hydrocarbons is to use the C1-C4 reaction mechanism and to add additional reactions for the specific system. Then it is possible to state that, if the eigenvalues, corresponding to the additional reaction mechanisms, have smaller values than the C1-C4 mechanism, both the original and the reduced schemes should represent the same topology in the phase space. In this way, mechanisms developed, for example, for CgHis combustion will also be applicable to the calculation of the CH4 flames. It is because of this hierarchical structure, the ILDM calculation performed for different combustion systems usually show the same characteristics; they tend to reach into their equilibrium point regardless of the dimensionality of the simulation. In an attempt to generate result tables with ILDM methodology for the simulation of reactive flows where high hydrocarbon fuels are used as the fuel, the existing code have been modified in a way based on the hierarchical structure of the chemical kinetics. The xnimodified version of the program is capable of generating subsequent result tables starting from the simpler ones like synthesis gas, and ending in the desired fuel composition. The existing datasets in the result tables, which belongs to a simpler fuel, is used as initial guesses for the next calculation. The accessible area characterized by the mass fractions of the species may not be closed region, or may contain zones where it is not possible to generate a result. Since the classical approach of ILDM does not have any insight about the chemical aspects of the combustion, most of the time required for the construction of result tables is spend on those regions. On the other hand with the modified version, it is possible to set proper initial conditions for an ILDM simulation, which dictates the zones available for calculation, and serves relaxed state vectors as initial guesses. Within the concept of the thesis the subroutines of the existing ILDM code is modified and its accuracy is validated with a set of calculation for synthesis gas and methane combustion systems. Results showed that both the altered and classical versions of ILDM represent the same distribution in the phase space. Also it was interesting to see that even tough the computational area exhibits a larger area for simpler fuel, the accessible area obtained by the hierarchical calculation matches perfectly with the classical approach. Thus, it is possible to state that the effect of the initial guesses does not force the simulation to produce wrong results. Also, for further error analyzing the results obtained by the calculations are compared within each other to get the error. It was observed that the local error of the modified version remains %0.5-l for small values of H20 mass fraction. The increase in the mass fraction value of H20 results an increase in the error as well but not exceeding a maximum of %9. xiv
Benzer Tezler
- Pressure analysis of wellbore using Lattice Boltzmann method
Lattıce Boltzmann yöntemiyle kuyuiçi basınç analizi
AMIR TOOSI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜRŞAT ALTUN
- İmalat sistemlerinin tasarlanması ve öncelik kurallarının belirlenmesinde yapay sinir ağlarının kullanılması
Başlık çevirisi yok
TARIK ÇAKAR
Doktora
Türkçe
1997
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN TORAMAN
- Financial engineering for bot power projects: A simplified model for optimal capital structure
Yap-işlet-devret enerji projelerinde finansman mühendisliği: Optimum sermaye yapı modeli
SANDALKHAN BAKATJAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. METİN ARIKAN
- Numerical simulation of two phase flow using the homogeneous flow model
İki fazlı akışın homojen akış modeli kullanılarak sayısal simülasyonu
MURAT DAL
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ ECDER
- Çok kademeli eksenel kompresörlerin ön tasarım aracının geliştirilmesi
Devolopment of multistage axial compressor preliminary design tool
RAFIS MUKHAMMEDIAROV
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HADİ GENCELİ