Comparison of ideal, partial and real fluids in high pressure combustion
Yüksek basınçtaki yanma olaylarında ideal, kısmi ve gerçek gazların karşılaştırılması
- Tez No: 528613
- Danışmanlar: PROF. DR. ONUR TUNÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Geleceğin roket itki sistemlerinde sıvı yakıcı maddeler ve gaz yakıtların kullanılacağı bir trende doğru gidilirken, oksitleyiciler ve yakıtların karışımlarının, enjeksiyonlarının ve yanma olaylarının doğru ve tutarlı analizini yapmak, yorumlamak ve doğru tasarım kararları vermek çok büyük önem arzetmektedir. Roket yanma odalarındaki çalışma basıncı genellikler 50-100 bar çalışma aralığında veya daha yüksek olduğundan, yüksek basınç altında akışkanların termodinamik ve transport özelliklerini doğru bir şekilde modellemek ve nümerik metodoljiye yerleştirmek doğru sonuçlar almak açısından çok önemlidir. Yüksek basınçlarda gaz fazındaki akışkanlar daha fazla sıkıştıklarından sıvı tipi transport ve termodinamik özellikler göstermektedirler. Burada en önemli özellik akışkanın yoğunluğunun yüksek basınçlarda sıvılardaki gibi yükselmesidir. Dolayısı ile nümerik modeled kullanılacak durum denkleminin yüksek basınçlarda ve kriyojenik sıcaklıklarda doğru yoğunluk değerini vermesi önemlidir. Bu durum denklemlerine gerçek-gaz durum denklemleri olarak adlandırırız. Gerçek gaz denklemleri de zaman içinde kendi içinde farklı kategorilere ayrılmıştır ve nümerik analizlerde uygulanmışlardır. Bu çalışma kapsamında sadece“kübik gerçek gaz durum denklemleri”modelleri kullanılmıştır. Bunun dışında“Non-Analytic”ve“Virial”modellerde bulunmaktadır. Bu modellerin nümerik analizlere eklenmesi ise ciddi olarak sayısal bir yüktür. Dolayısı ile kullanılacak modelin hem sayısal olarak daha basit hemde daha hassas olması istenir. Yüksek basınç altındaki akışkanların transport özellikleri yoğunluk farkından yola çıkarak hesaplanmaktadır. Dolayısı ile teorik olarak gerçek gaz transport özellikleri ideal koşullarda da ideal durumdaki değerleri sağlaması gerekir. Bu çalışmada öncelikli olarak transport modelleri CFD paketine eklenmeden önce kodlanarak valide edilmiştir ve sonrasında CFD paketine eklenerek gerçek akışkan modeli oluşturulmuştur. Yüksek basınç akışkan transport modelleri, benzer akademik çalışmalarda en çok kullanılan modellerden seçilmiştir. Çalışmada öncelikle transport özelliklerinin ve termodinamik özelliklerin ideal değerlerinde deviasyonları sunulmuştur. Denklemlerde kullanılan ifadeler açıklanmış ve metodoloji adım adım açıklanmıştır. Transport özelliklerinin hesaplanmasındaki en önemli parameter yoğunluktur. İdeal durumlar için çıkartılan ve geliştirilen modeller yoğunluğu, çoğunlukla değişmediği yada yok denecek kadar az değiştiğinden, hesaba katmamaktadır. Bu durum ideal durumlarda son derece geçerlidir fakat yüksek basınçlı ortamlarda, teorik olarak 20-30 bar basınç değerlerinin üstüne çıkıldığında, geçerliliğini kaybeder. Gerçek gaz durum denklemlerinde ve gerçek akışkan transport özelliklerindeki bir başka önemli parameter ise karışımdaki konsantrasyon değerleridir. Yanma olayı gerçekleştiği zaman yanma bölgesinde yanma ürünleri oluştuğundan dolayı yanma ürünleri farklı alanlarda farklı kütle fraksiyonlarında bulunurlar. Dolayısı ile temel denklemleri çözerken, bütün türlerin bireysel termodinamik ve transport özelliklerinin hesaplanması yerine karışım değerlerinin hesaplanması ve kullanılması gerekmektedir. İdeal gaz / ideal akışkan modelinin geçerli olduğu problemlerde karışım değerleri, türlerin konsantrasyonlarının ağırlıklı toplamı olarak basitçe hesaplanabilir. Fakat gerçek gaz durumlarında bu hesaplama metodu doğru değildir ve hatalı / hassas olmayan sonuçlar elde edilmesine sebebiyet verebilir. Bu minvalde, karışım değerlerinin doğru hesaplanması için, karışımdaki türlerin kritik basınç ve kritik sıcaklıklarını da hesaba katarak oluşturulan modellerin kullanılması esastır. Kübik durum denklemlerinde en çok kullanılan karışım modeli“Wan Der Waals”karışım modelidir. Benzer şekilde transport özelliklerini de hesaplarken uygun karışım kurallarının kullanılması daha hassas ve doğru sonuçlar verilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada transport modelleri kodlanırken, metodlar ile birlikte önerilen karışım özellikleri kullanılmıştır. Dolayısı ile bu modelde çok adımlı kimyasal reaksiyonların kullanımı çözümü çok fazla yavaşlatacaktır. Daha kompleks kimyasal modeller için“Mixture Fraction”modelinin kullanılması daha uygun olur. RCM1B test düzeneğinde, türbülans-kimya etkileşimi modellemesi anlamında Eddy Dissipation Model (EDM) kullanılmıştır. Bu modelin kullanılması ile akış alanında gerçekleşen reaksiyonların tamamımın türbülans tarafından kontrol edildiği kabülü yapılmıştır. Bu model de benzer şekilde“kaba”bir model olup, kompleks reaksiyonlarda kullanılması çok uygun değildir. Fakat bu modelin en önemli avantajı, hesaplama anlamında pahalı olan Arhenius reaksiyon oranlarından kaçınılmasına fırsat verir. Bu çalışmadan gerçek gaz ve gerçek akışkan kabülünü, süperkritik ve transkritik enjeksiyonlarda ideal durumdan sapmasının araştırılması amaçlanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde, alev bölgelerinin olduğu kısımlarda yanma ürünlerinin benzer oranlarda hesaplandığı görülmüştür. Alevin şekli geçmişteki benzer nümerik çalışmalarla uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Termodinamik ve transport değerleri, özellikle transkritik enjeksiyon testinde ideal durumdan farklı sonuçlar vermektedir. Fakat hem gerçek hemde ideal akışkanlarda alevin davranışının benzer şekilde olduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar ile kübik durum denklemlerinin yanma simülasyonlarında kullanılmasının uygun olduğunun validasyonu yapılmıştır.“Non-Analytic”ve“Virial”tipteki durum denklemlerinin hesaplama yükü çok ağır olduğundan ve sonuç hassasiyeti olarak çok az bir fark yaratacğından kübik durum denklemlerini kullanılması çok ciddi avantaj sağlamaktadır.Bu çalışmada Redlich-Kwong durum denklemi kullanılmıştır. Benzer şekilde daha hassas modeller olan Soave-Redlich-Kwong ve Peng-Robinson modelleri de kullanılabilir. Çalışmada kullanılan FLUENT 17.0 CFD paketi, enjeksiyon basınç ve sıcaklık değerlerinden akışkanın gaz yada sıvı fazında olduğunu çıkarmaktadır. Burada düşülmesi gereken önemli bir nokta vardır. Akışkanın fazı bilinmeden gerçek gaz denklemleri kullanıldığında, özellikle transkritik ve sıvı oksitleyicilerin olduğu durumlarda, gerçek gaz denklemleri tek başına doğru sonuç vermez. Örneğin sıvı 100 bar, 85 K durumunda bir O2 oksitleyici yanma odasına püskürtüldüğü zaman, gerçek gaz denklemleri ile birlikte“Hacim-Düzeltme”metodlarının da kullanılması önem taşımaktadır. Akışkanların yanma odasına girdiğindeki mometumu, giriş yoğunluğuna direk bağlı olduğundan bu metdoların kullanılmaması, yanma başlangıcının olduğu kısımlarda belirli miktarda hatalı sonuç verilmesine sebebiyet verecektir. İdeal ve gerçek akışkanların sıcaklık ve fiziksel özellikler alanında %15'e kadar farklılıklar ortaya koyduğu görülmüştür. Fakat hesaplama öncesinde yapılan kabüllerin de çok hassas olmadığının dikkate alınması gerek. Gelecekteki çalışmalarda, kimyasal mekanizmanın, yanma modelinin iyileştirilmesinin yapılması ve sonuçların tekrar değerlendirilmesi büyük önem taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
In future's rocket propulsion systems, trending fuels of liquid oxygen and gas-state methane fuels are burned in supercritical and transcritical conditions at elevated pressures. High pressure inside rocket engines requires an according thermodynamic approach to analyze the combustion that occurs at elevated pressures. Real-Gas models, in this regard, is taken into account to examine the combustion in both supercritical and transcritical conditions. At high pressures, gases start to show liquid-like behavior in both thermodynamic and transport properties. This situation calls for a new equation of state that takes into account the density change in the fluid, compared to ideal gas properties. The real-gas equation state model must be accurate and correctly show the deviation from ideal properties of the fluid or the mixture. The transport properties are also affected by the high-pressure conditions and proper representation of this situation must be reflected onto the mathematical models to further examine the combustion process. This work categorize the fluid into three distinct sections. Ideal fluid; where the fluid shows ideal behavior in density and all transport properties are calculated according to kinetic theory, partial fluid; where the fluid shows real-gas density and ideal transport properties and real fluid; where the fluid shows real-gas density and real-gas transport properties. Transport properties are consisted of viscosity, thermal conductivity and mass diffusivity. The mathematical models for transport properties are well defined for certain ranges and cannot be expected to yield perfectly accurate results for all possible conditions. For real-gas models, there are many choices to pick in literature. Real gas equations of state are also categorized in its own terms. There are cubic equations of state, referred as CEOS in this work, that include additional terms in its equation of state model, Virial type of equations of state and Non-analytical equations of state. In this work, only cubic equation of state is used since they are reasonably accurate and already well included in the CFD package. Transport properties, however, were implemented into solver through user-defined coding. Firstly, supercritical condition is imposed at the inlet, where both fuel and oxidizer are in gas-state and secondly a transcritical injection is imposed, where oxidizer is supplied into combustion chamber in liquid state. Both models were compared with each other in terms of different fluid states. It was observed in this study that flow field differs considerably in high-pressure conditions, both in supercritical and transcritical injections compared to ideal gas models. Neglecting real-gas models, numerical studies could lead to very erroneous results, resulting in bad and inaccurate design decisions. It was also observed that CEOS models shows good accuracy in near critical points, which makes the usage of more accurate EOS models, such as BWR models, in computational study a bit cumbersome since only a small amount of accuracy will be achieved.
Benzer Tezler
- Yüksek basınç gradyanlı akışın sayısal modellenmesi
A numerical study on high pressure gradient flows
ALAZ TALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GÖREN
- Yıllık akımların gidiş özelliklerini benzeştiren bir matematik modelin araştırılması
Başlık çevirisi yok
E.BEYHAN OĞUZ
- Une etude sur le concept de negation dans le cadre de la critique Hegelinne de l'ironie romantique
Hegel'in romantik ironi eleştirisi çerçevesinde olumsuzlama kavramı üzerine bir inceleme
SEMA ÖZTEKİN
Yüksek Lisans
Fransızca
2024
FelsefeGalatasaray ÜniversitesiFelsefe Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT ÖKSÜZAN
- Doğal çatklaklı rezervarlara ait kuyu testi verilerinin doğrusal olmayan regrasyon yöntemleri ile analizi
Başlık çevirisi yok
KUBİLAY MENEKŞE
- Benzin motorlarında indirgenmiş kinetik model uygulaması
Reduced chemical kinetic model application to spark ignition engines
CÜNEYT UYKUR