Sıvı yakıt damlacık dizilerinde momentum, ısı ve kütle geçişi
Momentum, heat and mass transfer in liquid fuel droplet arrays
- Tez No: 39142
- Danışmanlar: PROF.DR. AHMET R. BÜYÜKTÜR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1993
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 57
Özet
ÖZET Dünya enerji gereksiniminin önemli bir kısmını karşılamakta kullanılan sıvı hidrokarbon yakıtlar, genellikle, püskürtme yoluyla çok küçük damlacıklara parçalanarak demet halinde yakılmaktadır. Bu nedenle, sıvı yakıt damlacıklarının, ya da genel olarak sıvı damlacıkların, buharlaşması olgusu bilimsel araştırma konulan araşma girmiş ve bu alanda bir hayli araştırma yapılmıştır. Konu üzerinde yapılan çalışmaların geçmişine bakıldığında, atomize olmuş yakıtların yanması üzerine yapılan araştırmaların çoğu tek bir damlacık için yapılmıştır. Damlacıklar arası etkileşimi irdeleyen araştırmaların sayısı ne yazık ki çok azdır ve bu çalışmalar da hep durgun ortamlarla sınırlı kalmış ve yalnızca dİffüzyon gözönüne alınmıştır. Oysa, uygulamada kullanılmakta olan yanma odalarında, damlacık çapma dayalı Reynolds sayısı 200 gibi yüksek değerlere dek artabilmektedir. Damlacık düzeneklerinde hız dağılımları ve yerel ısı geçişine ilişkin deneysel bilgilere raslamak mümkün olmamıştır. Sunulan bu doktora çalışmasında, silindirik hücre modeli kullanılarak, sıvı damlacık dizileri çevresinde, momentum, ısı ve kütle geçişi bilgisayar yardımıyla sayısal olarak irdelenmiştir. Çözüm yöntemi olarak sonlu farklar yöntemi kullanılmıştır. Sonlu farkların eğrisel sınırlara olan uyumsuzluğu nedeniyle, uygun bir çözüm alam oluşturmak için Sayısal Grid Üretimi yöntemi kullanılarak koordinat dönüşümüne gidilmiştir. Üretilen grid üzerinde, Navier-Stokes bağıntıları girdap- akımfonksiyonu formülasyonuyla çözülmüş, ayrıca kütle geçişinin momentum ve ısı geçişi üzerindeki etkileri de gözönüne alınmıştır. Damlacıklar arasındaki mesafenin değişik değerleri için çözüm yinelenmiş ve böylece damlacıklar arasındaki etkileşimin damlacıkların birbirine yakınlığı ile ilişkisi gösterilmiştir. Kurulan modelin, tek damlacık için verdiği sonuçlar da kapsama alınmıştır. Tek ve üç damlacık hali için, kütle geçişinin olduğu ve olmadığı hallerde, hız dağılımları, akım çizgileri, eş-sıcaklık eğrileri, girdap ve kütle kesri dağılımları elde edilmiş ve bunlardan yararlanarak damlacıkların yüzeyinde yerel Nusselt ve Sherwood dağılımları çıkartılmış, bunların integrasyonu ile de genel Nusselt ve Sherwood sayılarının Reynolds sayılarına bağlı değişimleri incelenmiştir. Sonuçlar, kütle geçişinin ve komşu damlacıkların geçiş süreçleri üzerinde etkili olduğunu göstermiştir. xı
Özet (Çeviri)
MOMENTUM, HEAT AND MASS TRANSFER IN LIQUID FUEL DROPLET ARRAYS SUMMARY Combustion of liquid fuel droplets is a very complex process. Many workers have studied evaporation of a single isolated liquid droplet into a stagnant gas. A real liquid spray behavior is affected by many features. Some of these are relative motion between gas and droplet leading to convective heating and internal circulation, transient heating of the liquid, droplet-droplet interactions, droplet - turbulent eddy interactions, and multicomponent liquid behavior. Relatively few works have been carried out on the interactions between droplets and all of these studies were limited to quiscent environments. Since the Reynolds number based on droplet diameter can be as high as 200 in real combusters, the diffusion-only analysis used in these studies should be inadequate to understand the interactions between droplets. Therefore a cylindirical cell model was developed firstly by Tal and Sirignano. This model provided significant improvement in compliance with experimental results as compared to the spherical cell model, another model first applied to the range of intermediate Reynolds numbers by LeClair and Hamielec. Considering a certain number of droplets in a periodic configuration (array) it can be possible to produce very useful results on the effect of interactions between droplets on the various transport processes such as momentum, heat and mass transfer. A schematic representation of the assemblage geometry which is also used in the present Ph.D. study can be seen in Fig.2-1. Due to symmetry and nearly periodic character, there is no momentum, heat and mass transfer at the streamwise equidistant planes between the droplets. By this assumption the problem is reduced to a multitude of spheres in tandem in a square streamtube (Fig.2-2) which is subsequently replaced with a cylindirical duct of equal cross-sectional area. Details of this model can be found in the paper by Chen and Tong, but the focus of our work is the effect of mass transport on other transport phenomenas. The most effective way to overcome the problems which are encountered in the use of finite-difference method is the use of boundary-fitted coordinate (RFC) system. The technique is based on a method of automatic numerical generation of a general curvilinear coordinate system having a coordinate line coincident with each boundary of a general multiconnected domain under study. With coordinate system generated to maintain coordinate lines coincident with the boundaries, finite- difference codes can be written which are applicable to general configurations without the need of special procedures at the boundaries. It is also possible to distribute the Xllcurvilinear grid lines in the physical plane with concentration of lines in regions of high gradients while maintaining the square grid in the transformed (computational) plane. Once the curvilinear coordinates have been generated, any set of partial differential equations of a physical problem may be solved on this new coordinate system by transforming the equations and the boundary conditions and solving the resulting set of equations. In order to eliminate the difficulties encountered in the solution of transfer equations and to improve the numerical accuracy, the numerical grid generation technique is used in the present study. Elliptic partial differential equations are used to generate grids for several droplet array configurations. All derivatives are approximated by second order central difference. The resulting difference equations are solved by successive point overrelaxation. Since the problem contains some gradients on droplet surfaces, the values of coefficients in the control functions are selected so that grid lines is attracted toward the droplet surfaces. It can not be possible to concentrate the grid lines on droplet surfaces by taking the control functions as zero. The Navier-Stokes equations in vorticity-streamfiinction form, and energy and mass transfer equations are solved numerically. The governing dimensionless equations for the axisymmetric flow field, heat and mass transfer in cylindrical coordinates are as follows: d2 ¥ +- d2 W dx2 dy2 1 dy y dy (1) dco dco v U--+V- G)= dx ay y Re 2 ( d2 CO d2 co 1 dco +- CO dx2 dy2 y dy y (2) BT dT 2 u---+v--=- dx dy RePr ( 32 d2T d2T ]_dT dx2 dy2 y dy +o (3a) y/=-y2 (O=0 7=1 mj =0 (6) ^=0 => \j/=0 ©=0 - =0 ^-=0 (7) dy dy 2 dy dy X=X => 4^=0 42-0 ^=0 ^=0 (9) dx ax ax ox surface=> ^=0 a>=-^-^- T=0 »z,=l (10) ox ay -A,^=(i-«,')n (ii) dn The local heat and mass transfer to the droplet can be expressed in terms of the local Nusselt and Sherwood numbers which are given by *r ~dT or « dm,,“N Nue=2- She=-2- (12) an dn Subsequently, the overall average heat transfer to the whole droplet can be expressed as 1 * 1 K Nu =- J Nug sin 6 dd Sh =-jShe sin 6 dd (13) 2 0 2 0 As for the drag coefficients, the derivations for friction drag and pressure drag can be found in Jenson [43]. They are given by 8 r C”= - \ asm2 Odd (14). ReJ0 XIVCdp=jPe smlBde (15) where 4 \( da \ p>=p'+rJX^m r (16) In order that the computations can be performed on a rectangular grid in the computational plane, it is convenient to transform the governing equations from the physical domain ( x,y ) to the computational domain ( £,T]). Using the chain rule of partial differentiation the partial derivatives become *, = §,*e+l,*, (17) *“ = §”*« + »?,?,, (18) 0» =§**«+ n« 0“ + ?/ 0« + nx2 m+Hx nx ^ (19) ^ = ^ 0| + TV ^ + C *« + V 4>m+2Zy % *fr (20) The matrices ( §x, £,, *î,, fy,§«,§”,, i]“ » ^ ) appearing in these equations are obtained from the following expressions: -f=x{yv-x1lyf (21) L=^r (22) ^=”^ (23) n,»-^ (24) ny=-j (25) XVk-1 b~ J -y" ( *« ?/ + 2*^ £x T], +xw T]x2 ) (26) ->'l,(xj5^2+2xft^Tjy+xinT]/) (27) *?« = -*« ( y
Benzer Tezler
- Methanol droplet combustion modeling with detailed chemistry
Metanol damlasının detaylı kimya ile yanma modellenmesi
MEHMET ÖZER HAVLUCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN BEDİR
- A mathematical model for prediction of film cooling performance in liquid propellant rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorlarında film soğutma performansının tahmini için matematiksel bir model
AKIN SÖZERİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Fundamental understanding of turbulent combustion in droplet-laden mixtures using direct numerical simulations
Damlacık yüklü karışımlarda türbülanslı yanmanın direk sayısal analiz yöntemi kullanılarak incelenmesi
GULCAN OZEL EROL
Doktora
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiUniversity of Newcastle upon TyneMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NILANJAN CHAKRABORTY
- CFD simulations of a reverse flow combustion chamber
Ters akışlı yanma odasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları
GÜRKAN SARIKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR TUNÇER
