Fundamental understanding of turbulent combustion in droplet-laden mixtures using direct numerical simulations
Damlacık yüklü karışımlarda türbülanslı yanmanın direk sayısal analiz yöntemi kullanılarak incelenmesi
- Tez No: 765629
- Danışmanlar: PROF. DR. NILANJAN CHAKRABORTY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Newcastle upon Tyne
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 285
Özet
Damlacık yüklü karışımlarda alev ilerlemesi otomotiv motorları, gaz türbinleri ve kaza patlamaları gibi uygulamalarda büyük önem teşkil eder. Damlacık yüklü karışımlarda türbülanslı yanma, uygulamalardaki öneminin yanı sıra, buharlaşma, ısı ve kütle transferi, akışkan dinamiği ve yanma termokimyası gibi karmaşık etkileşimleri içerdiği için termo-akışkan mekaniği alanındaki en zorlayıcı başlıklardan biridir. Geniş bir aralıkta meydana gelen bu etkileşimlerin analizi ve modellenmesi için kapsamlı bir bilgi birikimine ihtiyaç vardır. Bu tez çalışmasında damlacık yüklü karışımlarda yayılan küresel ve V şekilli alevlerin üç boyutlu, sıkıştırılabilir direk sayısal analizi gerçekleştirilerek türbülanslı sprey yanmada alev yapısı ve yanma hızı istatiksel olarak incelenmiştir. Simülasyonlar modifiye edilmiş tek adımlı Arrhenius tipi kimyasal mekanizma kabulü ile; farklı damlacık çapları, equvalans oranları ve türbülans seviyeleri için gerçekleştirilmiştir. Küresel sprey alevleri, istatiksel olarak aynı türbülanslı akış şartlarına sahip önceden karışımlı gaz yakıtlı küresel alevler ile karşılaştırılarak sıvı yakıt damlacıklarının alev yayılımına etkisi incelenmiştir. Alev kırışmasının laminer küresel alev durumlarında alev-damlacık etkileşimi tarafından tetiklendiği ve bu durumun artan equvalans oranı ve damlacık çapları için güçlendiği tespit edilmiştir. Ancak, türbülanslı küresel alevlerde damlacıklar tarafından tetiklenen alev kırışması, akış nedeniyle meydana gelen alev kırışıklığından ayırt edilememiştir. Bütün damlacıklı durumlarda, global equvalans oranına kıyasla eksik yanma gerçekleştiği ve bu eğilimin büyük damlacıkların yavaş buharlaşması nedeniyle, artan damlacık çapları için güçlendiği saptanmıştır. Ayrıca, artan türbülans seviyesinin eksik yanma trendini arttırdığı gözlenmiştir. Yüzey yoğunluk fonksiyonu ve onun davranışını etkileyen gerinim hızları küresel olarak büyüyen alevlerde istatiksel olarak analiz edilmiştir. Yüksek türbülans koşullarında, büyük damlacık çapları için eksik yanma sonucunda alev kalınlaşmasının gerçekleştiği gözlenmiştir. Damlacık boyutu ve türbülans yoğunluğunun skaler gradyan ve iki yüzey arasındaki sonsuz küçük mesafenin davranışını önemli bir biçimde etkilediği görülmüştür. Damlacık yüklü karışımlarda alev ilerlemesi yoğunluk ağırlıklı yer değiştirme hızı ve tükenme hızına bağlı olarak incelenmiştir. Alevin kendi ile etkileşimi ile ilişkili olan alev topoloji olayları, küçük ölçekli skaler alev yüzey geometrileri eşliğinde tartışılmıştır. Türbülans yoğunluğu ve damlacık boyutu alev topoloji dağılımını önemli seklide değiştirmektedir. Ayrıca, alev-damlacık etkileşimleri, farklı gaz fazı korunum denklemlerindeki damlacık buharlaşması nedeniyle ortaya çıkan iki yönlü bağlantı ile ilişkili kaynak terimlerine bağlı olarak, detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu etkileşimlerin istatiksel davranışının modelleme açısından önemi ele alınmıştır. Ek olarak, varsayımsal ataletsiz damlacık hareketi dikkate alınarak, damlacık ataletinin yanma karakteristiği ve alev yüzey alanının gelişimine etkisi incelenmiştir. Alev yapısı içindeki damlacık miktarı yoğunluğunun, ataletli damlacık durumları için ataletsiz damlacık durumundakinden daha büyük olduğu saptanmıştır ve bu davranış alev içerisinde stokiyometrik karışım elde edilme olasılığını arttırmaktadır. Son olarak, küresel olarak yayılan ve V şekilli sprey alevleri arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Alev eğriliği, yoğunluk ağırlıklı yer değiştirme hızı ve tükenme hızının küresel şekilde büyüyen alev durumlarında damlacık çapı değişimi ile önemli ölçüde değiştiği, diğer yandan damlacık çapı değişiminin V şekilli alevlerde göreceli daha az etkili olduğu görülmüştür. Damlacık yüklü karışımlarda ilerleyen V şekilli alevlerin farklı ortalama akış hızları ile simülasyonu, reaksiyona giren karışım kompozisyonunun ortalama akış hızı ile önemli ölçüde bağlantılı olduğunu göstermiştir. Ayrıca ortalama akış hızı alev yapısı ve yanma hızının belirlenmesinde önemli bir rol oynamaktadır.
Özet (Çeviri)
The flame propagation in droplet-laden mixtures is of considerable importance in automotive engines, gas turbines, and accidental explosions. Despite the practical importance of turbulent combustion of droplet-laden mixtures, it remains one of the most challenging topics in thermo-fluid mechanics due to the involvement of complex interactions of evaporation, heat and mass transfer, fluid dynamics, and combustion thermochemistry. Thorough knowledge of these interactions, which occur over a wide range of scales, is necessary for fundamental understanding and modelling of turbulent spray flames. In this thesis, three dimensional compressible Direct Numerical Simulations (DNS) of spherically expanding and V-shaped flames propagating in droplet mists are considered for a fundamental physical understanding of the flame structure and flame speed statistics in turbulent spray flames. Simulations with modified single-step Arrhenius type chemical mechanism have been conducted for a range of different droplet diameters, overall equivalence ratios, and turbulence intensities. The influence of liquid droplets has been investigated by comparing the statistics for spray flames to those for the corresponding gaseous premixed spherically expanding flames with statistically similar initial turbulent flow conditions. It has been found that flame-droplet interaction promotes dropletinduced flame wrinkling for laminar flame kernels, and this strengthens with increasing overall equivalence ratio and droplet diameter. However, the effects of droplet-induced flame wrinkling cannot be readily distinguished from flame wrinkling due to fluid motion for turbulent spherically expanding spray flames. The combustion has been found to take place predominantly under fuel-lean mode in comparison to the overall equivalence ratio for all droplet sizes and this tendency strengthens with increasing droplet diameter due to slow evaporation of large droplets. Furthermore, increasing turbulence intensities enhances the availability of fuel-lean mixture. The statistics of the Surface Density Function (SDF = magnitude of the reaction progress variable gradient) and the strain rates, which affect the behaviour of SDF have been analysed for spherically expanding spray flames. Flame thickening has been observed for large droplets and at high turbulence intensities due to the predominance of fuel-lean combustion. Droplet size and turbulence intensity significantly affect the behaviour of scalar gradients and the infinitesimal distance between non-material surfaces. The flame propagation behaviour in droplet-laden mixtures has been analysed in terms of the statistics of density-weighted displacement and consumption speeds. Flame topologies associated with flame self-interaction events have been discussed along with the small-scale scalar geometries of flame isosurfaces. The presence of droplets, turbulence intensity and droplet diameter have been found to considerably alter the distributions of flame topologies. Additionally, flame-droplet interactions have been investigated in detail based on the source terms associated with two-phase coupling arising from droplet evaporation in various gaseous carrier phase transport equations and the modelling implications of the statistical behaviour of flame-droplet interactions have been addressed. Furthermore, hypothetical inertialess droplet motion is considered to identify the influence of droplet inertia on the combustion characteristics and the evolution of the flame surface area. The number density of droplets within the flame is greater for the inertial droplet cases than the corresponding inertialess droplet cases and this leads to higher availability of obtaining stoichiometric mixture in the flame. Finally, a comparison between the spherically expanding and V-shaped spray flames reveals that flame curvature, density-weighted displacement speed, and consumption speed varies considerably with droplet diameter in the case of spherically expanding spray flame cases, whereas the effects of droplet diameter are relatively weaker in V-flames. Simulations of V-shaped flames propagating in droplet mists for different mean inflow velocities indicate that reacting mixture composition significantly varies with the mean inflow velocity which also plays an important role in determining the flame structure and burning rate statistics.
Benzer Tezler
- Effect of CDC concept on the design parameters of a heavy duty PPCI engine by use of multidimensional modeling
Bir ağır iş PPCI motorunun tasarım parametrelerine CDC kavramının etkisinin çok boyutlu modelleme kullanılarak incelenmesi
MUSTAFA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZAFER GÜL
- Numerical modeling of the bosphorus exchange flow dynamics
İstanbul Boğazı değişim akımlarının sayısal modellenmesi
ADİL SÖZER
Doktora
İngilizce
2013
Deniz BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiOşinografi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN ÖZSOY
- Taylor-Couette-Poiseuille akışı ve akım ayrılmasının etkileri
Taylor Couette Poiseuille flow and effects of seperation
TANER ÇOŞGUN
Doktora
Türkçe
2019
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURTEN VARDAR
- Effect of surface roughness on the turbulent boundary layer due to marine coatings
Gemi boyalarına ait yüzey pürüzlülüğünün türbülanslı sınır tabakaya etkisi
BURCU ÜNAL
Doktora
İngilizce
2012
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHİTTİN SÖYLEMEZ
- Ömer b. Abdülazîz'in mektuplarında yönetimin fikrî temelleri
Intellectual foundations of management in Ömer b. Abdulaziz's letters
YASİN TALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
DinMardin Artuklu Üniversitesiİslam Tarihi ve Sanatları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZİYA POLAT