A New numerical approach for the sauter mean diameter in high speed diesel engines
Yüksek devirli bir diesel motordaki yakıt damlasına ait sauter ortalama çapı için yeni bir yaklaşım
- Tez No: 39429
- Danışmanlar: PROF.DR. OSMAN KAMİL SAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1993
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 193
Özet
YÜKSEK DEVİRLİ BİR DİESEL MOTORDAKİ YAKIT DAMLASINA AİT SAUTER ORTALAMA ÇAPI İÇİN YENİ BİR YAKLAŞIM ÖZET İçten yanmalı motorlar, yıllardır endüstride ve özel likle taşımacılıkta en üstün güç kaynakları olarak tanın mışlardır. İçten yanmalı motorlara artan talep; motor üreticilerini, arttırılmış ısıl verim, yüksek çıkış gücü ve son yıllarda da egzost gazlarının düşük emisyon, etki lerine sahip motor dizaynına zorlamıştır. Ancak gemi en düstrisinde kullanılan büyük boyutlu ve yüksek kapasiteli diesel motorlarının dizaynında prototip imali ve labora- tuvarlardaki test çalışmaları, yüksek harcamalara neden olmaktadır. Günümüzde,, modern gemi diesel motorlarının dizayn çalışmalarında, motora ait çeşitli sistem eleman larının bilgisayar simulasyon programları ile güvenilir bir şekilde modellenmesi büyük önem taşımaktadır. Bugün, daha etkin, daha hassas ve daha üstün motor dizaynı, en ekonomik biçimde bilgisayarlar yardımıyla gerçekleştiri- lebilmektedir. Kısaca CAD ve CAM olarak adlandırılan di zayn ve üretim araştırma programları; seri üretime yöne lik çalışma yapan araştırmacılara, öngörülen dizayn me- todları parelelinde ve sayısal bilgisayarların kullanımıy la, bir gemi diesel motorunun gerekli simulasyonunun ya pılabilmesini sağlamaktadır. İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi ' nde ilk olarak 19B5 yılında zamana bağlı gaz akışı denklemle rini kullanarak, bir motorun emme ve egzost Çevrelerinde ki akışın modellenebilmesi ile başlayan çalışmalar, bugün gerek benzinli motorlar, gerekse diesel motorlarının bil gisayarlar yardımıyla _ tamamen simüle ve kontrol edilebil mesini sağlamıştır. İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilim leri Fakültesi ' nde CAD ve CAM uygulamalarına yönelik gemi diesel motorlarının bilgisayarlar yardımı ile modellenme si çalışmaları, yurtdışındaki çeşitli üniversiteler ve endüstriyel kuruluşlar tarafından desteklenmekte olup, akademik işbirliği de sürdürülmektedir.Bugün, ülkemizde ve dünyada gemi diesel motorlarının simule edilebilmesinde, pek.çok araştırmacı motor silindirleri içinde gerçekleşen yanma işlemi üzerinde çalışmak¬ tadır. Yanma işlemi motorun ana dizayn parametreleri olarak tanımlanabilecek olan güç, verim, emisyon oranları, fiziksel boyutlar gibi pek çok parametreyi etkileyen bir işlemdir. Esas olarak, motor dizaynı; bir motorun toplam yanma sistemiyle toplam akış sisteminin dizaynında ibaret olup, motorda oluşan momentum^ısıl yük dağılımı, ısıl gerilme ve enerji dönüşümlerinin yanma ve akış sistemlerine entegre edilmesidir. Bu nedenle, İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde manifoldlardaki gaz akışı ile başlamış olan simulasyon çalışmaları, daha sonraki dönemlerde yanma sistemi üzerindeki çalışmalara da kaydı¬ rılmış olup, çeşitli yanma modelleri üzerinde araştırma¬ lar yapılmıştır. 197G'li yıllardan itibaren, içten yanmalı motorlarda¬ ki yanmanın modellenmesi çalışmalarında, bilgisayarların kapasitelerinin artımına paralel olarak yoğun bir artış gözlenmiştir. Pek çok araştırmacı tarafından değişik yan¬ ma modelleri ortaya konmuştur. Bölüm 2'de değişik araş¬ tırmacılara ait çeşitli yanma modellerinden kısaca söz edilmiştir. Çeşitli yanma modelleri bir motor üzerindeki ısı yayılım oranı, ısıl yük dağılımları, sistemin soğutulması, sürtünme, NO emisyon oranları gibi pek çok işlemi tanımlamaktadır. Ayrıca alternatif yakıtlar ile değişik parametrelerin değişimi de analiz edilmektedir. Bu çalışmada, esas olarak sıkıştırma, yakıt püskürtme ve ısı transfer modellerinden oluşan tek damlalı yanma teorisiyle bağıntılı bir yanma modeli kullanılmıştır. Bu modelin kullanımı ile dört stroklu, çok silindirli, türboşarjerli ve yüksek devirli bir gemi diesel motorunun ayrıntılı bir biçimde modellenmesi sağlanarak, motorun çalışması esnasındaki çeşitli noktalardaki basınç, hacim sıcaklık, ısı yayılım oranı gibi termodinamik özellikler tanımlanmıştır. Sıkıştırma modeli yardımıyla, sıkıştırma peryodu boyunca motordaki krankşaft açılarına karşılık hacim, hacim değişimi, deplasman, gaz basınç ve sıcaklıkları ile ısı transfer değerleri bulunabilmektedir. Isı transfer modeli ise bir diesel motordaki ısı transfer oranları ile katsayılarını tanımlayarak gerek piston üst yüzeyi, gerek silindir gömlekleri ve kaver yüzeyi ile silindir bloktaki ısı yayılımını incelemektedir. Kullanılan yakıt püskürtme modelinde, yakıtın yanma odasına enjekte edilmesini xıtakiben yakıt damlacıklarının farklı ebatlarda olduğu kabul edilmiştir. Yakıt damlalarının ateşleme gecikme par¬ yada sırasında hava ile karışarak yanabilir şekle girmesi ve buharlaşması, yanma işleminin gerçekleşmesinde çok önemli bir role sahip olup, hava ile yakıt damlacıklarının karışım işlemi, hava akışının momentumu ve dağılımları ile ilgilidir. Bu yakıt püskürtme modelinde yakıt çok kısa bir zaman dilimi içerisinde yanma odasına enjekte edilmekte ve yanma odası içerisinde olduğu kabul edilen hava bölgesi ile yakıt bölgeleri birbirine karışma¬ maktadır. Bu modelde silindir yanma odası içerisindeki basınç düzgün ve eşit yayılı olarak kabul edilmekte ve enjeksiyon peryodu boyunca hava ve yakıt bölgeleri arasın¬ da karışma ve ısı transferinin olmadığı kabul edilmektedir. Yanma modellemesinde kullanılan yakıt püskürtme modeli ile, bir yakıt damlasına ait karakteristikler tanımlana¬ bilmektedir. Herhangi bir yakıtın motordaki ateşleme sırasına uy¬ gun olarak silindirlere gönderilmesi, bu yakıtın yanma odası içine enjekte edilmesi ve enjekte edilmiş olan her¬ hangi bir yakıt damlasının, yanma odası içindeki davranış¬ ları, yanma işlemi ve yanmanın modellenebilmesine temel teşkil etmektedir. Yakıtın atomizasyonu ve penetrasyonu yanma ve yanma süratini kontrol eden parametrelerdir. Bu nedenle, yanma ile birlikte yanma süratinin kontrolü ve yanmanın modellenebilmesi için, yanma odası içindeki bir yakıt damlasının davranışları ile boyutlarının bilinmesi gereklidir. Yakıt spreyindeki bir yakıt damlacığının karakteristikleri yukarıdaki nedenlerden dolayı pek çok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Bir diesel motordaki yanma odası içerisine sevk edilmiş olan bir yakıtın tanımlanmasında, genellikle yakıt damlasının ortalama çap ifadesi kullanılmaktadır. Bir yakıt damlasının ortalama çapının tanımlanmasında yaygın olarak kullanılan parametre ise“Sauter Ortalama Çapı”(Sauter Mean diameter- SMD) dır. Sauter Ortalama Çapı, toplam yakıt spreyindeki aynı yüzey/hacim oranına sahip damlacıkların çapı olarak tanımlanmakta ve yakıtın atomi- zasyon derecesini tanımlamaktadır. Sauter Ortalama Çapının, enjeksiyon basıncı, enjektör meme geometrisi ve kullanılan yakıta ait özelliklere bağlı olarak, silindirlerdeki yanma oranı, ortaya çıkan ısı, güç, yanma peryodunun artım veya azalması gibi pek çok parametreyi etkilediği ve tüm yanma işlemine esas teşkil ettiği değerlendirilmektedir. Bölüm 4'te Sauter Ortalama Çapı ile ilgili kısa bir literatür araştırması yapılmıştır. xııBu tezde, tüm yanma işlemine temel olarak kabul edilen Sauter Grtalama Çapının; sabit enjeksiyon basınçların da, yanma peryadundaki kranksaft açılarına karşılık 3. dereceden polinomlar şeklinde ifade edilebilmesi sağlanmıştır. Yapılan çalışmalarda, tek-bölgeli yanma modeli kullanılarak geliştirilmiş olan CDMdD (COmbustion MGDel' in kısaltması) adlı program kullanılmıştır. Programla ilgili bilgiler Bölüm 5'te verilmiştir. COMOD adlı programın MTU-396-1 6V tipi dört stroklu, turbosarjerli, yüksek devirli motorların gerçek dizayn parametrelerinde çalıştırılması sonucunda, çeşitli enjeksiyon basınçlarında bir yakıt damlasının Sauter Ortalama Çapları, micron olarak yanma peryadundaki herhangi bir kranksaft açısına karşılık gelmek üzere elde edilmiştir. Bu Sauter Ortalama Çap değerleri plotlanarak, yüksek de receli regresyon analizleri uygulanmış ve elde edilen polinomların değerlendirilmesi yapılmıştır. Yapılan değerlendirme sonucunda Sauter Ortalama Çaplarının 3. derece palinomlarla ifade edilebilmesi uygun mütalaa edilmiş tir. 270 bar enjeksiyon basıncından 850 bar enjeksiyon basıncına kadar elde edilen 3. derece polinomların analizi sonucunda; yüksek enjeksiyon basınçlarında, polinom katsayı değerlerinin azaldığı gözlenmiştir. Çeşitli basınçlarda elde edilen polinomların katsayıları ile varyans değerleri Tablo A-.1'de gösterilmiştir. Katsayı değerlerindeki azalma göz önüne alınarak, çeşitli enjeksiyon basınçlarına karşılık gelmek üzere linearizasyon işlemi uygulanmış ve değişimler incelenerek, Sauter Orta lama çapı için 270 barla B50 bar arasındaki enjeksiyon basınçları için (6.1) nolu eşitlik önerilmiştir. (6.1) eşitliğinin kullanımı ile belirtilen basınç değerleri arasında herhangi bir krank açısına karşılık gelen Sauter Ortalama Çapının - k mikronluk bir hatayla bulunabileceği kabul edilmiştir. Tezde geliştirilen sayısal yaklaşımlar sonucu elde edilen Sauter Ortalama Çapları, üç boyutlu olarak Şekil 4.14'te plotlanmış ve Sauter ortalama çaplarında, artan enjeksiyon basınç değerlerine karşılık, azalma olduğu tespit edilmiştir. Enjeksiyon basınçlarındaki artışa karşılık olarak Sauter Ortalama Çap değerlerinin azalması, yakıt damlalarının yanma oranı ile buharlaşma oranını arttırmaktadır. Yanma oranı ile buharlaşma oranındaki artış, silindir yanma odası içindeki maximum gaz basıncı ile gaz sıcaklığını arttırmaktadır. Sonuç alarak, Sauter Ortalama Çapları yardımıyla buharlaşma oranı ve yanma oranı kont rol edilebilmektedir. Tablo 6.1 'de 510 bar enjeksiyon basıncında Sauter Ortalama Çap değerlerindeki azalmanın, maximum gaz sıcaklığı ve basıncını arttırdığı, buna karşın yanma peryadunda azalmaya neden olduğu gösterilmiştir. xıııYanma peryodundaki bu azalma ise yanma peryadunda ortaya çıkan enerji oranını arttırmaktadır. Elde edilen Sauter Ortalama Çaplarının, 270 bardan 850 bara kadar olan çeşitli enjeksiyon basınçlarında yaklaşık 38 mikronla 29 mikron arasında değiştiği tespit edilmiştir. Genellikle orta devirli diesel motorlarda bu oran ^0-55 mikron arasında olup, 29 ile 38 mikron arasındaki ortalama çap değerlerinin yüksek devirli diesel motorlar için uygun limitler arasında olduğu değerlendirilmektedir. MTU-396-16V tipi motorların enjektör meme delik çaplarında, C0M0D programı vasıtasıyla + 20 mikronluk bir değişim yapıldığında, Sauter Ortalama Çaplarında çok büyük değişimler gözlenmemiştir. Böylece enjektör memesi delik çaplarında, yakıtın sürtünmesi sonucu ortaya çıka bilecek aşınmalar için.+? 20 mikronluk bir limit değeri bulunmuştur. Şekil C. 1. Ayrıca, hava türbülans oranı kullanılan programın formatlarına uygun alarak 0 ile 15 arasında değiştirilerek, elde edilen değerlerin ısı yayılımına etkisi incelenmiş; hava türbülans oranının ısı yayılımı üzerinde çok fazla etkisi olmadığı sonucuna varılmıştır. Kullanılan yakıtın kaynama sıcaklığınında değişimi incelenmiştir. Yakıtın yüksek kaynama sıcaklığında (600 K), yanma peryadunda yaklaşık % 5'lik bir artış gözlenmiş ve maximum enerji yayılımı oranında ise % 3'lük bir azalma olduğu sonucuna varılmıştır. Şekil C.5_. Elde edilen sonuçların çeşitli araştırmacılarla yapılan karşılaştırmaları EK-C'de gösterilmiştir. Yapılan değerlendirmede bu araştırmacılarla, getirilen yaklaşımların uyum gösterdiği değerlendirilmektedir. Ekim 1993 ayında Bulgaristan'ın Varna kentinde toplanacak olan 10. uncu IMAM-93 Kangresi'nde bildiri alarak sunulacak bu çalışmanın, kullanılacak çeşitli yakıt karakteristikleri, enjektör geometrisi, enjeksiyon basınç değişimleri, yanma sonucu ortaya çıkan ısı yayılım oranı, güç, yanma peryadunda gözlenebilecek değişimler gibi pek çak parametre gözönüne alınarak, getirilecek yaklaşımla, optimize edilmiş bir yanma modeli oluşturabileceği değerlendirilmektedir. XIV'
Özet (Çeviri)
SUMMARY Combustion models are subject to extensive research all over the world. The main parameter investigated by combustion modelling is the two and three dimensional heat-release rate. Additionaly research on combustion chemistry, NDx emission rates and alternative fuels are carried and metallurgical analysis are made. The starting point for combustion modelling is the distribution of fuel for a particular cylinder, its injection and behaviour of fuel droplets indside the combustion chamber. The characteristics of the fuel in the combustion chamber of a marine diesel engine should be known in order to model or simulate that engine. Especially, the rate of atomization of the fuel and the rate penetration of the fuel spray are the parameters that control the combustion and the rate of combustion. So far, the characteristics of a fuel droplet in a fuel spray has been the focus of interest of a number of researchers. This thesis is devoted to define the Sauter Mean Diameter (SMD) in a high-order polynominal form, which is a characteristic which defines the degree of atomiza tion, and therefore the combustion and the rate of combustion in diesel engines. The design parameters of a multi-cylinder, high-speed, four-stroke turbocharged diesel engine, MTU-396-1 6V type engine has been used in these studies. Furthermore, the program COMOD has been run with the parameters related to, MTU-396-16V type engine. The results obtained in this thesis have indicated the importance of Sauter Mean Diameter in combustion modelling. The author has the opinion that the approach used in this study can be further used to optimise a combustion model accounting for variations in various parameters such as fuel characteristics, heat release rate resulting from combustion, power demand from the engine, changes in combustion period. IX
Benzer Tezler
- Francis türbini yayıcısındaki girdap oluşumunun etkisini azaltma yöntemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle incelenmesi
Investigation of methods to mitigate the effect of vortex formation in the francis turbine draft tube with computational fluid dynamics analysis
KAĞAN ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- A numerical approach for optimization of curing kinetics of composite material
Kompozit malzemenin küreltme kinetiğinin optimizasyonu için sayısal bir yaklaşım
MURAT ÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Matematikİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMatematik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GAMZE TANOĞLU
- Gemi özitme parametrelerinin sayısal ve deneysel olarak hesaplanması
Numerical and experimental estimation of self-propulsion parameters of marine vehicles
METİN KEMAL GÖKÇE
Doktora
Türkçe
2020
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURSUN ALKAN
- Kaotik davranışa sahip kesirli diferansiyel denklem sistemleri ve nümerik çözümü
Chaotic fractional differential equation systems and their numerical solutions
ALİ KONURALP
- Numerical modeling of wave overtopping in nearshore structures
Kıyıya yakın yapılarda dalga aşmasının sayısal modellenmesi
HAMZA CHEIKH ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ BAYRAKTAR BURAL