CFD simulations of a reverse flow combustion chamber
Ters akışlı yanma odasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları
- Tez No: 445040
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR TUNÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları, yanma odası içerisindeki akışın fiziksel davranışlarını tespit etmekte ve yanma karakteristiğini tayin etmekte kolaylık sağlamaktadır. Simülasyon analizleri, deneysel çalışmalardan önce yanma odasının başlangıç tasarım kriterlerini belirlerken, zamana olan bağımlılığı ve deney sırasında karşılaşılabilecek sorunlardan kaynaklanacak deneme-yanılma masraflarını azaltmak için gereklidir. Bu tezde, yanma odasının ön tasarımı sırasında halkasal yanma odasının nominal çalışma şartları belirlenmiştir. Yanma odası 1000 HP gücünde bir turboşaft motora uygun olarak tasarlanmıştır. Bu tip motorlarda yer kısıtlı ve ağırlık kritik olduğundan ters akışlı yanma odaları tercih edilir. Ters akışlı yanma odası tam halkasal tipte olacak şekilde tasarlanmıştır. Halkasal yanma odasının diğer yanma odası tiplerine göre önemli tasarım avantajları mevcuttur. Bunlardan bazıları; yanma odasının boyutunun kısaltılması, dolayısıyla yer ve ağrılıktan tasarruf edilmesi, alev stabilitesinin diğer tiplere göre daha iyi oluşu ve emisyonlar diğer tiplere göre daha düşük olmasıdır. Halkasal yanma odası için teğetsel tipte 13 adet girdap vanesi kullanılmıştır. Bu yanma odası tasarım kıstasları temel alınarak deneysel çalışmalarda kolaylık sağlanması amacı ile düzlemsel bir yanma odası test düzeneği tasarlanmıştır. Test düzeneği orijinal yanma odasının 3/13'lük bir bölümü esas alınarak tasarlanmıştır. Düzlemsel yanma odasının tasarlanmasının avantajı; deneysel çalışmalar sırasında yanma odasının belli bölgelerine optik erişim kolaylılığı sağlamaktır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) çalışmaları için kullanılacak çözüm hacmi ise test düzeneği için hazırlanmış düzlemsel yanma odası geometrisi temel alınarak oluşturulmuştur. Çözüm hacmi, orijinal yanma odası geometrisinin 1/13'lük kısmıdır. Bu sayısal çalışmalarda çıkan sonuçlar daha sonradan deneysel veriler ile karşılaştırılacaktır. Hesaplamalarda kullanılan sonlu hacim ağı oluşturulur iken düzlemsel geometriye uygun çözüm hacim kullanılmıştır. Sonlu hacim ağı oluşturulurken, yanma odasının geometrik uzunluk değerleri, hiçbir boyutlandırma faktörü olmadan gerçek değerlerinde kullanılmıştır. Sonlu hacim ağı yapısının simülasyon sonuçları üzerindeki etkisinin azaltılması için farklı derecedeki incelik değerlerinde tekrarlanarak, en uygun sonlu hacim ağı elde edilmiştir. 3 boyutlu sonlu hacim ağı için ilk olarak yaklaşık 50 milyon elemanlık bir dörtyüzlü yapı oluşturuldu. Ardından, hesaplama zamanının kısaltılması amacı ile oluşturulan bu yapı eleman kalitesi bozulmayacak şekilde ANSYS Fluent programı kullanılarak yaklaşık olarak 10 milyon elemanlık bir çokyüzlü yapıya dönüştürüldü. Gaz türbini motorlarında sıvı yakıtlar kullanılır. Sıvı yakıt yanma odasına enjektörler yardımıyla püskürtülerek yüzey hacmi artırılır, böylece sıvı yakıtın buharlaşması kolaylaştırılır. Ters akışlı yanma odasındaki sprey yanma modeli için gerçekleştirilen sayısal çalışmalarda hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanıldı. Sayısal çalışmalar, iki adet tepkimeli akış durumu ve bir adet tepkimesiz (soğuk) akışda sıvı yakıt enjeksiyon çalışmasını kapsamaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları, tepkimeli akış ve tepkimesiz akış çalışmalarının tümünün çözdürülmesi sebebi ile 3 boyutlu kararlı-hal durumunda FLUENT v.14 yazılımı kullanılmıştır. ANSYS FLUENT programı, hızlı, pratik ve kullanım alanı geniş bir paket programı olduğu için birçok alanda ki hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarında tercih edilmektedir. Tüm simülasyonlarda, Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) ve Gerçeklenir (Realizable) k-ϵ türbülans modeli uygulanmıştır. Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes modeli, diğer türbülanslı akış modellerine göre çözüm zamanı açısında daha hızlı bir yöntem olduğu için bu çalışmada kullanıldı. Ayrıca, bu yöntem sanayide geniş bir çalışma yelpazesinde tercih edilmekte ve simülasyon sonuçları pratik bir şekilde elde edilebilmektedir. Diğer taraftan kullanılan türbülans modeli düşünüldüğünde, k-ϵ türbülans modeli, gaz türbini hesaplamaları için literatür araştırılarak seçilmiş ve türbülans modelleri içerisinde en çok kullanılan bir modeldir. Gerçeklenir k-ϵ türbülans modeli ise standart modelden geliştirilerek oluşturulmuş bir modeldir. Modeller için literatür araştırmaları tez çalışması kapsamında yapılmış ve tez içeriğinde detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Yanma modelinin simule edilmesi için kullanılan ilk yaklaşım, her tür için taşınım denklemlerinin ayrı ayrı çözülmesi prensibine dayanıyor. Yanma,“belirli oranda kimyasallar modeli”(finite rate chemistry) ile simule edildi ve heptan (C7H16) yakıtı için tek basamaklı reaksiyon mekanizması kullanıldı. Türbülans-Alev etkileşimini modellemek için Girdap-enerji yitimi kavramı (Eddy-Dissipation Concept - EDC) kullanıldı. Girdap-enerji yitimi kavramı, türbülans ve alevin kimyası arasındaki etkileşim kavramında, türbülanslı girdapların enerji yitimi şeklinde detaylı olarak tanımlanabilinir. Yanma modelinin simule edilmesinde kullanılan ikinci yaklaşım, kararlı yayılan alevcik yanma modeli (steady diffusion flamelet combustion model) ile birlikte türbülans-alev etkileşimi için Olasılık Yoğunluğu Fonksiyonu (OYF) (Probability Density Function (PDF)) kullanılmıştır. Bu yanma modeli ile, adiyabatik türbülanslı alevin termokimyasal özellikleri, stokiyometrik değerde karışım kesri ve sayısal enerji yitimi oranı kullanılarak belirtilir. β-OYF (Olasılık Yoğunluğu Fonksiyonu) metodu, türbülanslı yanma için aramalı tabloları oluşturmak için kullanıldı. Tablolar oluşturulurken kimyasal reaksiyonların çözümü için, California San Diego Üniversitesinin türettiği, heptan (C7H16) yakıtı mekanizması kullanıldı ve mekanizma 58 tür ve 325 reaksiyondan oluşmaktadır. Sprey yanmanın endüstri içerisinde çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır. Gaz türbini yanma odasındaki sıvı yakıt yanması için, basınçlı girdap püskürteci (pressure swirl atomizer), püskürteçler arasında en güvenilir ve en ucuz maliyetli olanıdır ve bu çalışmada bu çeşit püskürteç modeli kullanılmıştır. Püskürteç sistemi tasarlanırken ve seçilirken gölge ölçümü (shadowgraphy) deneyleri yapılmış ve sınır şartları belirlenmiştir. Püskürteç sistemi, yakıtı nozüllerde hızlandırarak merkezi dönüş kanalına iletir. Dönen sıvı yakıt dönüş kanalının duvarlarına çarparak içi hava dolu bir koni oluşturur. Bu yapı orifisten kararsız ince bir film olarak çıkar ve halka ve damlacık şeklinde parçalanır. Film oluşumu ve parçalanması Doğrusallaştırılmış Kararsız Film Parçalanması (Linearized Instability Sheet Atomization - LISA) modeli ile temsil edilmiştir. Bu model film oluşumu ve parçalanma, ve atomizasyon olmak üzere iki adımdan oluşur. İkincil parçalanma mekanizması için Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor (KHRT) modeli açıklanacaktır. Yanma karakteristiği, akış karakteristiği, ve sıvı yakıt püskürtme modeli, bu çalışma kapsamında araştırılacak ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak gösterilecek. İki farklı yanma modeli ile elde edilmiş sonuçların karşılaştırılması sonuç bölümünde yorumlanacak ve değerlendirilecek. Bu yüksek lisans tezi, çalışma süresince kullanılan tüm model, yöntem ve yaklaşımları detaylı bir şekilde içermektedir.
Özet (Çeviri)
Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations provide advantages to identify the physical behaviors of flow inside combustor and to define the combustion characteristics. The simulation analysis becomes necessary to reduce time dependence and cost issue to determine initial design data of a combustor before experimental tests. In this thesis, a 1/13 sector of a reverse flow annular combustor, intended to be used in a 1000 hp turbo-shaft helicopter engine, is investigated for reacting flow CFD simulations. The real geometrical dimensions of combustor were used without any scaling factor to create computational domain. The computational domain was simulated for different degree of fineness of computational mesh to check for mesh independency. The 3D generated mesh has roughly 10 million unstructured polyhedral elements. The CFD model was proposed to simulate the spray combustion for a reverse flow annular combustor. The numerical studies consist of two reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The CFD simulations were performed in order to determine the reacting flow characteristics of combustor by using FLUENT v.14 software in a 3D steady-state fashion. All simulations were carried out Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and with the Realizable k-ϵ turbulence model. The first CFD approach for combustion model is based on the transport equation for each species. The combustion has been simulated with the finite rate chemistry model and is modelled using one-step reaction mechanism for heptane fuel (C7H16). Eddy-Dissipation Concept (EDC) model was used for the turbulence-chemistry interaction. The EDC model can be described as a detailed description of the dissipation of the turbulent eddies on the concept of interaction between turbulence and chemistry of flame. The second CFD approach for combustion model is the steady diffusion flamelet concept with the Probability Density Function (PDF) closure method for turbulence-flame interaction. With this concept, the thermochemical properties of an adiabatic turbulent flame can be defined by using the mixture fraction and the scalar dissipation rate at stoichiometric value. The β-PDF method was used to generate a look-up table database for turbulent combustion. For chemical reaction, heptane (C7H16) fuel mechanism which was derived by the University of California San Diego, is used for chemical reaction process. It has 58 species and 325 reactions. Spray combustion has several application areas in industry. For liquid-fuel combustion in gas turbine combustors, the pressure swirl atomizer has been found to be the cheapest and the most reliable type of atomizer and the pressure swirl atomizer will be described in this study. The pressure swirl atomizer accelerates the liquid through swirl ports into a central swirl chamber. The swirling liquid pushes against the walls of the swirl chamber and develops a hollow air core. It then emerges from the orifice as a thinning sheet, which is unstable, breaking up into ligaments and droplets. The progression from the internal atomizer flow to the external spray consists of two steps as film formation sheet breakup, atomization. FLUENT® software uses the Linearized Instability Sheet Atomization (LISA) model for the pressure-swirl atomizer. The Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor model (KH/RT) will be described for secondary breakup mechanism. The combustion characteristics, the flow characteristics, and the atomization model will be investigated for the results section of this study. The comparing of two different combustion concept will be discussed in conclusion chapter. The thesis covers all the details of these models and their approaches.
Benzer Tezler
- Chemical reactor network modelling of a 1000 HP turboshaft engine reverse flow combustor
1000-HP sınıfı bir turboşaft motorun ters akışlı yanma odasının reaktör ağları ile modellenmesi
GÖKHAN VAROL
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR TUNÇER
- Dizel içten yanmalı motorlarda silindir içerisindeki hava hareketlerinin incelenmesi
In-cylinder flow characterization of air in diesel internal combustion engines
CEM DEMİRKESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Yöndeş ve ters akışlı hava parçalamalı yakıt hava püskürtücülü bir yanma odasının karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile belirlenmesi
Investigation of co and counter configurations of a double swirler airblast atomizer in an annular combustor with computational fluid dynamics
HASAN BAŞAR BOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
- Ters akışlı bir yanma odasında hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak large eddy sımulatıon modeli ile tutuşma karakteristiğinin belirlenmesi
Computational fluid dynamics analysis of ignition characteristics of a reversed flow combustion chamber with large eddy simulation approach
SERHAN DÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Havacılık MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
- Farklı irtifalara göre tasarlanmış aerospike lülelerin çeşitli irtifalarda performans karşılaştırması
Designed for different altitudes at various altitude of aerospike nozzles performance comparison
BARTU AKMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU