CFD modeling of premixed si engine combustion and flame propagation – a validation study
Ön karışmlı bui ile ateşlemeli bir motorun CFD modellemesi ve alev yayılma hızı için bir doğrulama
- Tez No: 556581
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN AKIN KUTLAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Dr. Akın Kutlar gözetiminde doktora öğrencisi olan Abdurrahman Demirci tarafından yapılan laboratuar testleri. bir doğrulama çalışmasıdır. Son zamanlarda gittikçe artan zorluklar nedeniyle sayısal araçlar. emisyon seviyesini azaltmak. araştırma potansiyelini yakıt kaynaklarının kullanımının ya da farklı piston şekilleri kullanarak içten yanmanın geliştirilmesine ilişkin olarak testlerin yapılması için tercih edilen testi yöntem olmuştur. Araştırma ve daha ayrıntılı laboratuar testleri için tercih edilen yol. en az maliyetle ve nispeten en kısa sürede olmalıdır. Buna göre. yanma modelinin bu tür deneyler için gerekli detayları yansıtabilmesi gerekmektedir. Benzinli motor konfigürasyonunda önceden karıştırılmış alev yayılma özelliklerini tahmin etmek için. CFD aracının seçimi olarak AVL FIRE kullanılarak tutarlı Alev Modeli seçildi. Bu doğrulama sonuçlarını elde etmek için. Sonunda gerçek motoru simüle edebilmek için AVL Fire aracının tüm yönlerini tanımak gerekiyordu. Öğrenme süreci. Bu süreçte öğrenilen deneyim ve bilgiyi diğerinin faydalanması ve geliştirmesi amacıyla. aşağıda açıklayacağımız birçok aşamadan geçti. Fiziksel ve kimyasal değişkenlerin yanma üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bu çalışmada fiziksel değişken endişe vericidir. Hızlı yanma. daha yüksek sıkıştırma oranlarının kullanılmasına izin veren daha iyi ve daha stabil yanma için önemlidir. Yanma hızı esas olarak. alım manifoldu tarafından oluşturulan silindirdeki gaz hareketlerinden etkilenir. Temel amaç. türbülans faktörlerini etkileyerek farklı kase şekillerinin yanmayı nasıl etkileyebileceğini test etmektir. Girdap faktörü artarken yanmanın zayıf karışımlarda çalışmasına yardımcı olabilecek MR tipinden beklenen faktördür. Bu validasyon çalışması için. her iki kase tipinde fakat farklı geometrilere sahip farklı sıkıştırma oranları ve lambda oranları olan SO ve MR olmak üzere iki farklı tip piston geometrisi kullanılmıştır. İlk başta deneysel verilerden ilk koşul olduğu gibi alınmış ve herhangi bir kalibrasyon yapılmadan bu faktör üzerinde simülasyon yapılmıştır. Daha sonra enstrümantal ölçümlerle alınan verilerin etkinliği ve doğruluğu araştırılmış ve bunun üzerine başlangıç koşullarında düzeltme yapılmıştır. Simülasyondan elde edilen sonuçlar. tam bir eşleşme elde etmek için çözülmesi gereken fark payı ile deneysel verilere yakındı. Bu amaçla. AVL FİRE içinde mevcut olan yöntemlerin ve germe faktörünü kontrol etme yönteminin çok sayıda denemesi ile daha derin bir anlayış ve deneysel sonuçlarla tam bir eşleşme için gereken cevap olarak bulundu. Silindirin içindeki türbülans hakkında deneysel sonuçlardan elde edilen ayrıntılı bilgi eksikliği nedeniyle. sonuçta. gerçek motorda neler olabileceğine dair başka bir analizin gözlemlenebileceği ve çalışabileceği sonuçları yakalamak için bir deneme-yanılma ve mühendislik duygusu kullanılmıştır. CR10.5 tipine kıyasla. CR12.5'in yüksek sıkıştırma oranının. tüm yanma verimliliği ve Bsfc ve daha yüksek sıkıştırma oranlarında yalın yanma için elde edilen daha kararlı yanma üzerine etkisi olduğu açıktı. Simülasyon yani Heron ve MR tipi olmak üzere farklı durumlar için iki farklı piston geometrisi incelendi. Her biri için CR12 ve CR 10.5'te bir çalışma yapıldı ve 1500 rpm ve 2000 rpm farklı hızlarda çalıştırıldı. Ayrıca 5 ve 7 bar'lık farklı yüklerde 1 ve 1.4'e eşit farklı lambdalarda. Tüm çevrimler için elde edilen gerilme faktörü çizildi ve farklı durumlar arasında karşılaştırıldı. CR10.5'in düşük karşılaştırma oranları için daha istikrarlı bir eğilim gözlenirken. CR12 için sonuçlar silindir içinde girdap ve takla neden olan yüksek türblenlerin gerilme faktörünü ve dolayısıyla alev cephesinin kırışmasını azalttığını göstermiştir. Aynı sonuç daha yüksek 2000 rpm hızındaki olgular için de yapılmıştır. buruşma etkisinin 1500 rpm düşük hızdakilerle karşılaştırıldığında daha az olduğu. düşük hızda alevin yüksek hızlara kıyasla kırışıklık için daha fazla zamana sahip olduğu sonucuna varıldı. Başka bir bulgu. daha yüksek sıkıştırma oranı ve daha düşük hızda Bsfc'nin arttığı ve böylece silindir duvarlarına ısı aktarımı için daha uygun zamana bağlı olduğu düşünülen mekanik verimin arttığı sonucuna varıldı. Türbülansın silindirdeki alev hızına etkisi de incelenmiştir. Bu, çoklu yöntemler kullanılarak yapıldı. İlk yöntem, programın sunduğu avialable yöntemini kullanmaktı. Alevin yayıldığı yerden bir referans olarak alev hatlarını kullanan görsel bir yöntem. Her özel noktada koordinasyon alınmış ve iki derece krank açısından sonra alev konturu koordinatları tekrar ölçülmüş ve motorun hızı ve alev hızını hesaplamak için kapladığı alevin mesafesi ile daha fazla hesaplama yapmak için alınmıştır. Görme yönteminden elde edilen alev hızı diğer iki yöntemle karşılaştırıldı. İlk yöntem, alfa faktörüne dayanarak laminer alev hızını türbülanslı alev hızı ile birleştiren genel alev hızı denklemini kullanmaktı. Bu faktör 0,45 ila 2 aralığındadır ve 4'e ulaştığında, en küçük ölçek etkisinin alev cephesinin kırışması üzerindeki etkisi hesaba katılır. Kullanılan üçüncü yöntem, türbülanslı alev hızının türetildiği tutarlı alev modülü işlevidir. Alev cephesinin buruşmasına dayanan, alev yüzey alanını arttıran ve böylece alev cephesinin yoğunluğunu artıran, yanma işleminde hızlı yanma işlemine yol açan uzatılmış tutarlı alev modeli. Denklem yanma oranını ve yanmış kütle fraksiyonunun gradyanını, yanmamış karışımları oluşturan taze gazların yoğunluğunu beraberinde getirmiştir. Üç yöntem, hepsinden elde edilen sonuçlarla uyuşma olduğunu göstermiştir. Bazılarının diğerine göre üstünlüğü olsa da. Bu nedenle, görsel yöntem doğru olmasına rağmen, her krank açısında tüm 20 vaka için kullanılması pratik değildi, bunun yerine doğrulama yöntemi olarak kullanıldı. Genel alev hızı denklemi gelince ve alfa geniş aralığı ile doğrulama olarak da kullanıldı ve belirli krank açılarında daha güvenilirdi, tutarlı alev modeline dayanan alev hızı temel alınan sonuçların duyarlılığı nedeniyle doğru değildi. gradyan değer eğrisinin düzgünlüğü. Bu nedenle, üç yöntem kullanılan her yöntemin geçerliliğini doğrulamak için iyi bir şekilde kullanılmıştır. Sonra bir sonraki adım, türbülansın alev hızı üzerindeki etkisini farklı karışımlarda ve farklı sıkıştırma oranlarında ve piston geometrisi etkisinde farklı hızlarda incelemektir. Bu yapılmadan önce deneysel çalışmanın kullandığı yöntemden elde edilen değerler simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Her iki sonuç da, alev hızının değer aralığında ve alev hızındaki ilerlemenin genel eğiliminde bir uyum göstermiştir. Piston geometrisinin etkisi, SO tipini MR tipiyle karşılaştıran belirgindi. MR tipi daha iyi bir performans ve daha yüksek türbülanslı alev hızı gösterdi ki bu da bu türün özellikle başardığı daha yüksek esneme faktörü ile uyuşuyor. Sıkıştırma oranı etkisinin etkisi incelendiğinde, yüksek sıkıştırma oranının yüksek türbülanslı alev hızına sahip olduğu üzerindeki etkisi açıktı, ancak bu, türbülanslı alevdeki yanıklar nedeniyle alev hızının kırışmasından dolayı gerekli değildi. hız. Yüksek sıkıştırma oranlarında, yaratılan yüksek türbülansın, enerjisinin hızlı ve kısa sürede alev cephesinin kırışmasına yol açabilecek en küçük ölçeklere yayılabileceği, ancak kısa sürede dağılabileceği daha yüksek türbülans yoğunluğuna sahip olmasından daha elverişli olan girdap hareketine aktarılması. tüm yanma işlemi boyunca momentumu. Karışımın etkisi ayrıca, stiokometrik rasyona yakın daha zengin karışımın daha yüksek bir alev hızı sergilediği yerlerde araştırıldı; buradaki zayıf karışımda, bu değer, yanmayı hızlandıracak oksijene yeterli yakıt bulunmaması nedeniyle düşer. Aşağıdaki bölümler, deneyden ve simülasyondan elde edilen ve hesaplanan sonuçları temsil eden rakamlarla bulduklarını açıklayan ve daha detaylı olarak açıklayacaktır. Simülasyon çalışması, her zaman amaçlanan işin kapsamının bir parçası olmayan çoklu bulgulara yol açmıştır. Çalışmanın nihai hedefine ulaşabilmesi için, kullanılan yöntemin araştırılmasının birçoğundan geçildi ve sonuçlar aynı zamanda literatürden de doğrulandı mı? Gelecek bölümlerde içten yanmalı motordaki son gelişmeler ve bu çalışmada yapmaya çalıştığımız katkı hakkında daha fazla bilgi vereceğiz. Geçerlilik konusu için çalışma, hepsinin deneysel çalışmayla kıyaslandığında simülasyon araştırmalarından beklenebilecek genel eğilim ile uyuşma gösterdiği tweety farklı vakaları ele almıştır.
Özet (Çeviri)
This validation study is for a laboratory tests done by Mr. Abdurrahman Demirci who were a PhD student under the supervision of Dr. Akın Kutlar. Numerical tools has been the preferable way of conducting tests recently due to the ever increasing challenges to reduce the level of emissions. which opened the area of research potential to a wide variates of the possible use of fuel resources or related with developing the internal combustion using different piston shapes. All this has to be done in relatively short period of time with the least cost on research in the quest to ultimately choose the preferable way that could be chosen for further detailed laboratory testing. Accordingly. the combustion model has to be capable of reflecting the details needed for such experiments .To better predict the premixed flame propagation characteristics in gasoline engine configuration Coherent Flame Model was chosen using AVL FIRE as the choice of CFD tool. To achieve those validation results. it was needed to get familiar with all aspects of the AVL Fire tool to eventually able to put the real engine into simulation. That went through many stages that we shall discuss below in the aim of passing the experience and knowledge learned in this process for the other to benefit from and develop. Physical as well as chemical variables have a significant impact on the combustion where physical variable are of concern in this study. Rapid combustion is of an importance for better and more stable combustion which allows for use of higher compression ratios. The burning rate is mainly affect by the gases motions in the cylinder which is created by the intake manifold. The main goal was to test how different bowl shapes can affect the combustion through affecting the turbulences factors. While increasing the swirl factor expected from the MR type which could help the combustion to run at poor mixtures. For this validation study two different types of piston geometry were used with different compression ratios and lambda ratios namely the SO and MR. both of bowl type but with different geometries. At first the initial condition from the experimental data was taken as it is and simulation was run upon that factor without any calibration done to them. Later the efficiency and accuracy of the data that was taken by the instrumental measurements were investigated and upon which a correction was done to the initial conditions. The results obtained from the simulation was close to the experimental data with margin of difference that was needed to be solved in order to have an exact match.
Benzer Tezler
- Hidrojenin ön karışımlı ve difüzyon yanmasının sayısal analizi
Numeric analysis of premixed hydrogen and hydrogen diffusion flame
İSMAİL ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
DOÇ. DR. İLKER YILMAZ
- CFD modeling of constant-volume Diesel combustionconsidering conventional and alternative fuels
Başlık çevirisi yok
EMRE SANCAR
- Tunçbilek termik santrali'nin 5. ünite kazanındaki alev oluşumunun sayısal modellemesi
Numerical modeling of flame formation in the 5th unit boiler of Tunçbi̇lek thermal power plant
FARUK ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
- On the applicability of progress variable approach for large eddy simulation of premixed flames
İlerleme değişkeni metodunun önkarışımlı yanmaya büyük girdap simülasyonu ile uygulanması
BULUT TEKGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR UĞRAŞ BARAN
- Investigation of the effects of alternative fuel use on performance and emissions in a compression ignition (CI) diesel engine
Sıkıştırmalı ateşlemeli bir dizel motorda alternatif yakıt kullanımının performans ve emisyon değerleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
FERHAT EKİN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN