Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 455405
  2. Yazar: GÖKHAN VAROL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR TUNÇER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Kimya Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Chemical Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Türbülans ve yanma, bilim adamları ve mühendisler için çözülmesi çok zor iki fenomen olarak uzun zamandır üzerinde çalışılan konulardır. 150 yılı aşkın süredir kullanılan fosil yakıtlı sistemlerin hepsinde bu iki fenomen en önemli rolü oynamaktadır. Son yıllarda hızla gelişen bilgisayar teknolojisi sayesinde, türbülanslı yanma akış problemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları ile çözümlenmesi ve akışkanın davranışı ve sıcaklığı gibi fiziksel sonuçlar ile beraber tepkime sonucu ortaya çıkan ana kimyasal türlerin de yüksek doğrulukta öngörülebilmesi mümkün hale gelmiştir. Fakat yanma sırasında açığa çıkan NOx ve CO gibi küçük kimyasal türlerin aynı yöntemler ile hesaplanabilmesi günümüz koşullarında oldukça zor ve zaman alıcı bir işlemdir. Diğer taraftan, çevresel etmenler ve yasal sınırlandırmalar sebebiyle, gaz türbinli motorlar gibi fosil yakıt kullanan sistemlerin üretmiş olduğu NO x ve CO gibi kirletici gazların azaltılmasına yönelik geliştirme çalışmaları bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu çalışmaların, üretimden önce yapılan kavramsal ve detaylı tasarım süreçlerinde gerçekleştirilmesi, projelerin zaman ve maliyetlerinin azaltılması açısından oldukça önemlidir. Bu sebeple, bu tip kirleticilerin tasarım aşamasında tahmin edilebilmesi oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında, tasarım sürecinde olan 1000 beygir gücüne haiz bir turbo şaft helikopter motorunun ters akışlı yanma odasına ait emisyonların tahmin edilmesine yönelik, literatürdeki yöntemlerden farklı yeni bir yöntem geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Bu yöntem sırasıyla, (1) yanma odasının 1/13'lük bölümü için FLUENT v.14 yazılımı ile üç boyutlu, tepkimeli ve iki fazlı akışkanlar dinamiği simülasyonu yapılması ve her bir çözüm noktasındaki sıcaklık de geri ve hız vektörlerinin elde edilmesi, (2) üç boyutlu HAD sonuçlarının iki buçuk (2.5 B) boyut yöntemi ile iki boyutlu düzleme aktarılması, (3) MATLAB yazılımı yardımı ile iki boyutlu düzlem üzerinde sıcaklık değerlerine bağlı kalarak kimyasal reaktör ağı modellenmesi (4) CHEMKIN yazılımı ile kimyasal reaktör a g modelinin n-heptan yakıt mekanizması ile çözdürülmesi ve emisyon sonuçlarının elde edilmesini içermektedir. Bu yöntem sayesinde, HAD simülasyonu ile sıcaklık ve kütle akış değerleri elde edilmekte ve bu değer kullanılarak kimyasal reaktör ağ modeli oluşturulmaktadır. Bu sayede karmaşık kimyasal mekanizmalar ve hesaplanması zor olan küçük kimyasal türler hassas ve hızlı bir şekilde elde edilebilmektedir. Yanma reaksiyonu sonucunda oluşan NOx ve CO miktarını etkileyen en önemli parametre olan sıcaklık, bu çalışmadaki kimyasal reaktör hacimlerinin oluşturulma aşamasında da belirleyici olmaktadır. Önceki benzer çalışmaların çoğu eksenel simetrik ve basit geometrili tüp şeklindeki yanma odaları için yapılmıştır. Dolayısıyla, xxiii enjektör merkezinden geçen 2 boyutlu düzlem için yapılan HAD simülasyonları ve bu simülasyon sonuçlarından kimyasal reaktör ağı oluşturmak bu çalışmadaki geometriye göre daha kolay olmaktadır. Bu çalışmadaki geometri ise bir çember üzerine eşit aralıklar ile dizilmiş 13 adet yakıt enjektöründen oluşan halkasal tipte (annular) bir yanma odasıdır. HAD simülasyonu için hesaplama zamanını ve iş yükünü azaltmak amacıyla, yanma odasının 1/13'lük tek bir enjektör içeren hacim kullanılmıştır. Hesaplamalarda kullanılan 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 oluşturulmuştur. 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 dönüştürülmüştür. Tüm simülasyonlarda, Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) ve Gerçeklenir (Realizable) k-ε türbülans modeli uygulanmıştır. Yanma modeli,“belirli oranda kimyasallar modeli”(finite rate chemistry) ile simule edilmiş ve heptan (C7H16) yakıtı için tek basamaklı reaksiyon mekanizması kullanılmıştır. Türbülans-Alev etkileşimini modellemek için Girdap-enerji yitimi kavramı (Eddy-Dissipation Concept - EDC) kullanılmıştır. Girdap-enerji yitimi kavramı, türbülans ve alevin kimyası arasındaki etkileşim kavramında, türbülanslı girdapların enerji yitimi şeklinde detaylı olarak tanımlanabilinir. Gerçekleştirilen üç boyutlu HAD sonuçları üzerinden, önceki çalışmalarda yapılan yöntemler kullanılarak reaktör ağı modeli oluşturmak, bu çalışmadaki geometri için oldukça zor, karmaşık ve uzun süreç almaktadır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için görüntü işleme çalışmalarında kullanılan 2.5 boyut yaklaşımından faydalanılmıştır. Bu yöntemde üç boyutlu hacim üzerinden ve yanma odasının genişliği boyunca eşit aralıklarla dokuz adet kesit alınmış ve bu kesitlerdeki her bir hesaplama noktasındaki hız vektörleri, sıcaklık ve yoğunluk parametrelerini içeren HAD sonuçlarının ortalaması bir adet iki boyutlu düzleme aktarılmış ve kimyasal reaktör ağ modeli bu düzlem üzerinde oluşturulmuştur. Bu işlemde, alınan dokuz kesit üzerindeki çözüm noktaları yanma odası genişliği boyunca farklı koordinatlarda olduğundan, her bir kesitteki çözüm parametreleri“Ters-Uzaklık ˙Interpolasyonu (Inverse Distance Interpolation)”metodu ile ve Tecplot yazılımı yardımı ile yeni oluşturulmuş düzenli bir ağ yapısına aktarılmıştır. Ortalama alma işlemi yeni oluşturulmuş bu ağ yapısına sahip kesitler ile MATLAB yazılımı kullanarak yapılmıştır. Reaktör hacimlerinin ve hacimler arasındaki kütle geçişlerinin kolay bir şekilde belirlenmesinde kullanılacak MATLAB tabanlı bir araç geliştirilmiştir. Bu araç sayesinde, yanma odasının üç farklı çalışma koşulu için (rölanti, seyir, kalkış) kimyasal reaktör ağı modellenmiştir. Reaktör modellemesinde“Tam Karışımlı Reaktörler (Perfectly Stirred Reactor)”ve“Tapa Akışlı Reaktörler (Plug Flow Reactor)”kullanılmıştır. Oluşturulan modeldeki reaktörler ideal ve ısı degişimsiz olarak varsayılmıştır. Bu modeller CHEMKIN PRO yazılımına aktarılmış ve Lawrence Livemore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) tarafından türetilmiş olan 159 kimyasal tür ve 700 adet tersinir reaksiyon basamağı içeren indirgenmiş n-heptan (n-C 7H16) yakıt mekanizması kullanılarak detaylı kimyasal reaksiyon analizi yapılmıştır. Kullanılan yakıt mekanizması içerisinde NOx tepkime basamakları bulunmamaktadır. Bu problemi ortadan kaldırmak için Berkeley Üniversitesi tarafından türetilen GRI 3.0 metan (CH4) yakıt mekanizmasındaki NOx reaksiyon basamakları ve katsayıları n-heptan yakıt mekanizmasına değişiklik yapılmadan eklenmiştir. xxiv Kimyasal Reaktör Ağ modelinden elde edilen NO x ve CO emisyon sonuçları, İsviçre'deki Sivil Havacılık Federal Ofisi (FOCA) tarafından helikopter motor emisyonlarının motor gücüne bağlı olarak tahmin edilmesine yönelik yapmış olduğu çalışmaların sonuçlarıyla ve Lefebvre gibi bazı araştırmacıların literatüre kazandırdığı korelasyonlardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Motor emisyonlarının kesin olarak öngörülebilmesi oldukça zor olduğundan, bu tip çalışmalarda kabul edilebilen hata payları oldukça yüksek mertebelerde tutulmaktadır. Elde edilen sonuçlar ve yapılan karşılaştırmalar neticesinde, bu çalışmada kullanılan yöntemin göreceli olarak gerçek değerlere yakın sonuçlar verdiği söylenebilir. Diğer taraftan, kesin bir yargıya varabilmek için deneysel ölçümler gerekmektedir ve bu tez çalışmasının da dahil olduğu proje kapsamında geleceğe yönelik bu tip çalışmalar planlanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Turbulence and combustion are two important phenomena's that are very difficult to solve for scientists and engineers. These two phenomena are playing the biggest role in the all fossil-fuelled systems which have been using for over 150 years. By means of the rapid computer technology developments, it has become possible to solve the turbulent combustion flow problems with computational fluid dynamics (CFD) simulations and to predict the physical results such as fluid flow and temperature, as well the major chemical species with high accuracy. However, by using the same method, it is still a difficult and time consuming process to calculate the minor chemical species such as NOx and CO which are released during combustion process. For this reason, the prediction of this pollutants is very important in the design phase of gas turbine engines. On the other hand, due to environmental factors and legal limitations, development efforts to reduce pollutants such as NOx and CO produced by fossil-fuelled systems such as gas turbine engines have become a necessity. The realization of these efforts in conceptual and detailed design phase's before production is very important in terms of reducing the time and costs of the projects. In this thesis study, a new methodology was developed and applied to predict the emissions of a reverse flow combustor of a 1000 horsepower turbo-shaft helicopter engine in the design process. This methodology includes the following respectively: (1) Three dimensional CFD-combustion simulation for 1 / 13th part of the combustion chamber by using FLUENT v.14 software and obtaining temperature values and velocity vectors at each solution point. (2) Converting the three dimensional CFD results and transferring to a two dimensional plane by using two and a half dimension (2.5 D) approach. (3) Developing a MATLAB based tool to create Chemical Reactor Network (CRN) model on two dimensional plane. (4) Solving the CRN model with using n-heptane fuel mechanism by using CHEMKIN PRO software and obtaining emission results. In this methodology, the temperature and mass flow values are obtained by CFD simulations and the CRN model is constructed by using these values. In this way, complex chemical mechanisms can be calculated quickly and small chemical species can be obtained precisely. The temperature, which is the most important parameter affecting the amount of NOx and CO generated as a result of the combustion reaction, is determinative at the creation stage of the CRN model in this study. Most of the previous similar studies were made for combustion chambers in the form of axially symmetric and simple geometric tubes. Therefore, CFD simulations for a two dimensional plane passing through the centre of the injector, and the creation of a chemical reactor network from these simulation results, are become easier than in this type of combustors. In case of the geometry in xxi this study is an annular and non-symmetrical combustion chamber which are consisting of a sequential fuel injector system. Building the reactor network model using the three dimensional CFD results and the methods used in the previous studies is quite difficult, complicated and long process for the geometry in this work. To overcome this challenge, the 2.5 D approach, which is generally using in image processing studies, has been utilized in this thesis. In this method, nine sections were taken at equal intervals over the three dimensional volume, and the average of CFD results in these sections were transferred to a created two dimensional plane and the CRN model was constructed on this plane. A MATLAB-based tool has been developed to determine reactor volumes and mass fluxes between these volumes. With this tool, the chemical reactor network for three different operating conditions of the combustion chamber (idle, cruise, take-off) was modelled. These models were transferred to the CHEMKIN PRO software and detailed chemical reaction analysis was carried out by using reduced n-heptane fuel mechanism which consist of 159 chemical species and 770 reaction steps. In this study, reactors are assumed as ideal and adiabatic.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    711852

    Reactor network analysis of biomass gasification in fluidized beds

    Başlık çevirisi yok

    LEON LONİ BERKEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Metalurji MühendisliğiPolitecnico di Milano

    PROF. ALESSANDRO STAGNİ

    PROF. TİZİANO FARAVELLİ

  2. Tez No

    58378

    Fuzzy ve neural network yöntemleri ile kimyasal proseslerin modellenmesi ve kontrolü

    Modelling and control of chemical processes with fuzy and neural networks methods

    ZEHRA ZEYBEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Kimya MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ALPBAZ

  3. Tez No

    717088

    Numerical modeling of charring ablative thermal protection systems under aerodynamic heating

    Aerodinamik ısınma altında kömürleşerek aşınan termal koruma malzemelerinin sayısal olarak modellenmesi

    VOLKAN COŞKUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CÜNEYT SERT

  4. Tez No

    816345

    Physics-informed machine learning-based modeling and control of dynamic process systems

    Dinamik sistemlerin fizik bilgili makine öğrenimi tabanlı modellemesi ve kontrolü

    TUSE ASRAV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDAL AYDIN

  5. Tez No

    449352

    TiO2/montmorillonit nanokompozitinin sentezi ve sulu çözeltilerden ilaç türü kirleticilerin fotokatalitik oksidasyon ve fotokatalitik ozonlama prosesleriyle bozundurulmasına yönelik uygulamalar: Proseslerin modellenmesi ve optimizasyonu

    Synthesis of TiO2/montmorillonite nanocomposite and its applications in photocatalytic oxidation and photocatalytic ozonation processes for degradation of pharmaceutical contaminants from aqueous solutions: Modeling and optimization of the processes

    AYDIN HASSANI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    KimyaAtatürk Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMRA KARACA

    PROF. DR. ALİREZA KHATAEE

Geri Dön