Yanma odalarının modellenmesi
Modelling of combustion chambers
- Tez No: 21719
- Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN F. GENCELİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1992
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 197
Özet
ÖZET Sürekli rejimde iki boyutlu reaktif türbülanslı akışlara ait matematik bir yanma odası modeli geliştirilmiştir. Değişken hız ve sıcaklık alanlarında aynı anda gerçekleşen bir dizi olayın bir sonucu olarak ortaya çıkan yanma işleminin karmaşık yapısı üç alt modelin toplamı şeklinde düşünülmüştür. Alt modelleri sırasıyla hidrodinamik akış, yanma ve ışınım modelleri oluşturmaktadır. Hidrodinamik akış modeli özellikle türbülansın etkilediği konvektif ve difüzif akışkan hareketlerini, yanma modeli kimyasal reaksiyonları ve ışınım modeli ışınımla olan ısı geçişini kapsamaktadır. Hidrodinamik akış için k-e türbülans modeli kullanılmıştır. Bu alt modelde momentum denklemleri türbülansın kinetik enerjisi (k) ve disipasyon hızı (e) ile birlikte çözülmektedir. Yanma modeli ise gaz fazında gelişen reaksiyonların hem Gibbs fonksiyonunun minimizasyonu prensibine dayanan denge kabulü, hem de reaksiyon hızlarının dikkate alındığı kinetik yaklaşım için ayrıntılı çözüm verebilmektedir. Sunulan çalışmada metan gazının yanması ile ilgili 19 bileşen ve 34 adet ileri-geri reaksiyon çiftini içeren bir reaksiyon mekanizması kullanılmıştır. Yanma odasında ışınımla olan ısı geçişi 4-Akı (Flux) modeliyle karakterize edilmiştir. Bu yöntemin esası ışınım akısının radyal ve eksenel doğrultularda gerçekleştiği kabulüne dayanmaktadır. Alt modeller benzer kısmi diferansiyel denklemler ile ifade edilebilmektedir. Bu nedenle sayısal çözümde ortak bir algoritma kullanılmıştır. Alt modellerin performansları gerek sunulan çalışma kapsamında gerçekleştirilen bir dizi deneye ait bulgularla, gerekse literatürden alınan verilerle karşılaştırılarak ayrı ayrı irdelenmiştir. Yanma odası modelinin çözüm stratejisini alt modeller arasında gerçekleştirilen bir“süper-iterasyon”işlemi oluşturmaktadır. Yanma odası modeli reaktör içindeki akım fonksiyonu, hız, sıcaklık ve aralarında bazı radikallerin de bulunduğu yanma ürünlerinin dağılımlarını verebilmektedir. Modelin sonuçları IFRF* m M-2 deney serisinden olan 29 no. l'u difüzyon alevine ait bulgularla ve sunulan çalışma kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmaya ait verilerle karşılaştırılmıştır. Bu amaçla tasarlanan küçük ölçekli, ön karışımlı bir reaktörde sıcaklık ve birtakım kararlı yanma ürünlerin derişiklikleri ölçülmüştür. Yapılan karşılaştırmalar sonucu geliştirilen yanma odası modelinin gerçekçi sonuçlar verdiği belirlenmiştir. xiv
Özet (Çeviri)
MODELLING OF COMBUSTION CHAMBERS SUMMARY The object of this PhD thesis is to develop an efficient mathematical model of turbulent, chemically reacting gas phase flows. The solution of the Navier-Stokes equations incorporating physical modelling for turbulence, combustion and thermal radiation has been obtained by combining several computer codes that had previously been developed. Numerical results, for quantities such as temperature, stream function and species mole number distributions within the flow field have been obtained. The performance of the model has been tested using the experimental data from the M-2 trials of the IFRF (International Flame Research Foundation) and carrying out an experimental study within the framework of the presented thesis. Computer simulation and prediction of turbulent, chemically reacting flows is known as an extremely difficult problem due to the complex interactions of many reacting chemical species with continuously changing temperature and velocity fields. However, the problem has attracted increasing interest in recent years. The requirements for greater combustion efficiency and decreased pollutant emissions from a variety of devices, from power plants to jet engines, and the introduction of new devices have led to the need for improved methods of prediction and calculation for turbulent flows involving chemical reactions [7]. In general there exist two types of approach to reacting, turbulent flows. One is the chemical equilibrium approach with infinite reaction rate assumption. The other is the well-stirred reactor model, which considers finite-rate reactions with infinite-rate mixing. The model presented employs both the equilibrium and the non-equilibrium (kinetic) chemistry approach. For the solution of chemical and of energy conservation equations the computer code CREK [16] has been used. The hydrodynamic solution of the flow field has been obtained by the computer code TEACH which uses the k-e method for turbulence modelling [9,28]. Radiant energy transfer has been simulated by the 4-Flux method [3,4]. xvTHE PREDICTION PROCEDURE The Governing Equations The governing partial differential equations for the conservation of mass, momentum, energy and chemical species in the gaseous phase under steady state conditions can be rearranged into a general form which can be written as: a a a 0 (p u 0 ) - ( r ) + s (D ax J ax ax j j j where p is density, u is the velocity component, 0 is the dependent variable, T is the“effective”diffusion coefficient for that 0 quantity and S is the source term. The dependent variable 0 may stand for a variety of different quantities such as the mass fraction of chemical species, the enthalpy, a velocity component, the kinetic energy of turbulence, or dissipation. The transport equations in the form of (1) are reduced to their finite-difference form by integrating over the computational cells into which the domain is divided. The resulting algebraic equations can be written in the following form [9]: £ A 0 = E K 0 + sCT (2)“dp ”d d 0 d * d where the subscript d (“direction”) refers to the adjacent nodes N,S,E, W. A 's are the convection and diffusion coefficients. The d exact form of the A ' s depends on the nature of the governing d equations (elliptic, parabolic or hyperbolic) and on the form of finite-difference approximation used (upwind, central, etc...). The Turbulent Model The computer code TEACH which uses the usual two-equation model of turbulence has been employed in this study. Hydrodynamic equations have been solved for the turbulence kinetic energy k and its dissipation rate e. In order to validate the model results the performance of the k-e model has been tested by using experimental data for different reactor configurations [14,34]. The results show fairly good agreement with the data both taken from literature and obtained within the framework of the presented study. A comparison between xvithe k-e model and a zero-equation model has also been made and the advantage of the two-equation (k-e) model has been analyzed. The Combustion Model Combustion model enables the calculation of chemically complex equilibrium or non-equilibrium (kinetic) stationary states. In such cases where the chemical kinetic rates are known to be so fast compared to the turbulent mixing rates, the chemical equilibrium approach may be used. The Gibbs function minimization method has been used for the equilibrium solution. For a mixture of reacting gases at prescribed temperature and pressure, chemical equilibrium is obtained when the Gibbs function of the mixture is a minimum. For a mixture of ideal gases, the partial molar Gibbs function of species-k is given by, *k - \“ Tsk - K ~ Tsk + RT 1o*[^t] + RT lQs[-iH (3) u m J L o J where h is enthalpy (J/kmole), T is temperature (T), s is entropy (J/kmole K), R is universal gas constant (8314.3 J/kmole K), k=l and the requirement for chemical equilibrium is, ”rîC, dG = V do-, = 0, (d2G) > 0 (5) A1 8V For the kinetic solution, the chemical kinetic source term for conservation of chemical species-i is, JJ \“ ”I «» where R. and R, are the rates of forward and reverse reactions j, ^ 3 respectively (kmole/m s). a.' and a. " are the stoichiometric xviicoefficients for species-i. R. may be expressed in a modified Arrhenius form: B N a ns a R = X2 10 J T J exp (-T. /T) (p u d d Equations (8) are ns in number, where ns is the number of chemical species being considered. The thermal energy equation is also in the form of equation (8). Rewriting equations (8) in the functional form, E Ad °*i d fi= ŞA*Re-[ ' ' \}-\ ? 1 = I'ns (9) d d a set of Newton-Raphson correction equations may be obtained: xviiins Öf (o) (o) (o) E [ - ] A
Benzer Tezler
- Doğalgaz yakıtlı kazanlarda yanma odasının matematiksel modellenmesi
Mathematical modelling of combustion chambers in natural gas boilers
SELİM BAŞARANER
- Gaz türbinlerinde yanma odalarının teorik incelenmesi ve nümerik olarak modellenmesi
Theoretical investigation and numerical modelling of gas turbine combustion chambers
İBRAHİM ÖZSARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN ÜST
- Numerical and experimental study of turbulent jet ignition method on wankel engine with passive pre-chamber
Türbülanslı jet tutuşturma yönteminin wankel motorunda pasif ön yanma odası ile numerik ve deneysel çalışması
HARUN DİLLİCE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Buji ateşlemeli motorlarda çevrim atlatma yönteminin kısmi yüklerde incelenmesi
Skip cycle method investigation at part load conditions of spark ignition engines
BARIŞ DOĞRU
Doktora
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR