Investigation of bluff-body stabilized premixed flame dynamics using an in-house flow solver lestr3d
Küt cisim ile stabiılize edilmiş ön karışımlı alev dinamiklerinin özgün akış çözücüsü lestr3d ile incelenmesi
- Tez No: 805106
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Doğada çoğu akış türbülanslı akış olarak nitelendirilmektedir. Bununla beraber yüksek Reynolds sayılı türbülanslı akışlar havacılık problemlerinde sıklıkla karşılaşılmaktadır. Özellikle yanma sistemlerinde, yüksek hızlı akışların varlığı verimli ve sürekli bir yanma elde etmeyi zorlaştırmaktadır. Yanma odasında genellikle akışın hızı, alevin hızından çok fazla olduğu için kararlı bir yanma operasyonu akışın manipüle edilmesi ile ulaşılabilir. Genellikle akışta girdaplar oluşturarak ya da yanma odasına küt bir alev tutucu cisim yerleştirilerek akış yavaşlatılır ve bu yavaşlamış akış bölgesinde yanmış/yanmamış gazların verimle şekilde karışımı sağlanarak sürekli ve kararlı bir alev oluşturulabilir. Bu kontrol mekanizmaları beraberinde devridaim bölgeleri, yüksek türbülans etkileşimleri ve çeşitli kararsızlıklar getirerek akışın fiziğini kompleks hale getirir. Verimli bir yanma odası tasarımı için ise bu tür kimyasal olarak aktif akışlar detaylı şekilde incelenmeli ve bu akışlar hakkında anlayış geliştirilmelidir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, son yıllarda teknolojinin gelişmesi ve yüksek performanslı bilgisayarların ortaya çıkması ile birlikte bu tür karmaşık problemlerin araştırılması için uygun hale gelmiştir. Sıkça kullanılan üç sayısal metot olarak Reynolds-ortalama Navier-Stokes (RANS), büyük girdap benzetimi (LES) ve doğrudan sayısal benzetim (DNS) olarak gösterilmektedir. RANS, türbülanslı akışa ait ortalama değerleri çözerek türbülansa dair istatistiksel veri sunar. Hesaplama maliyetinin düşük olması ve istatistiksel verilerin yeterli olması bakımından özellikle endüstride sıklıkla kullanılmaktadır. Türbülanslı reaktif akışlar ise yüksek kararsızlıkların bulunduğu, büyük ölçekli yapıların etkisinde anlık türbülans aktiviteleri ile tanımlanabilen akışlardır ve detaylı ve yüksek doğruluklu olarak incelenmesi gerekmektedir. Bu sebeple RANS, türbülanslı yanma uygulamaları için yetersiz kalmaktadır. Öte yandan DNS akışa ait bütün uzaysal ve zamansal ölçekleri direkt olarak çözümlemeyi esas almaktadır. Herhangi bir modelleme yaklaşımı olmadan, akışı yöneten denklemler direkt çözülmektedir. Akışın en ince detaylarına kadar simüle edebilse de, yüksek hesaplama hacmi ve maliyeti ile beraber çogu problemlerde kullanılması imkânsız hale gelmektedir. DNS genellikle küçük ve basit geometriler için sınırlandırılmış bir alanda kullanım görmektedir. Büyük girdap benzetimi ise maliyet ve doğruluk açısından bu iki sayısal yöntemin arasında konumlanmaktadır. Buna göre, akışa ait büyük ölçekli yüksek enerji taşıyan yapılar direkt olarak çözümlenirken, daha küçük yapılar ise modellenmektedir. Akış alanına uzaysal bir filtre uygulanarak, filtre büyüklüğünden küçük yapılar modellenirken, daha büyük yapılar ise direkt olarak çözülmektedir. Küt cisim etrafında türbülanslı akışlar genellikle büyük ölçekli yapılar tarafından yönetilmektedir ve akışın anlık olarak evriminin incelenmesi önem taşımaktadır. Bu sebeplerden dolayı büyük girdap benzetimi bu tarz detaylı fiziğe sahip akışların benzetimine en uygun yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu bağlamda, yoğunluk-tabanlı sıkıştırılabilir türbülanslı akışların benzetimi için LES çözücüsü lestr3d geliştirilmiştir. Yazılım, FORTRAN programlama dili kullanılarak kodlanmış ve mesaj geçirme arayüzü (MPI) ile paralel uygulamalar için uyumlu hale getirilmiştir. Modüler olarak geliştirilen bu çözücü, farklı türbülanslı problemler için farklı yaklaşımları uygulanabilir hale getirerek çeşitlilik sunmaktadır. Bu tez kapsamında, lestr3d türbülanslı reaktif akışları araştırmak amacıyla çok-türlü akışlar için genişletilmiş ve küt-cisim ile kararlı hale getirilmiş ön karışımlı türbülanslı yanma problemi lestr3d çözücüsü ile ele alınmıştır. Çok-türlü LES denklemleri uzayda ikinci-derece, hücre-merkezli sonlu hacimler yöntemi ile ayrıklaştırılmıştır. Zaman integrasyonu ise ikinci-derece iki ve beş adımlı Runge-Kutta ve dual time stepping metotları ile yapılmaktadır. Merkezi şema kullanımından kaynaklanan ve fiziksel bir altyapıya dayanmayan salınımlar Jameson-Turkell-Schmidt yapay sönümleme mekanizması ile bastırılmıştır. Viskoz ve filtre-altı akıların hesaplanabilmesi için gradyanlar Green-Gauss Gradyan Metodu ile elde edilmiştir. Türbülans modellemesi ile üç farklı yöntem ile çeşitlendirilmiştir. Bu yöntemler Smagorinsky, WALE ve k-denklemi türbülans modelleridir. lestr3d, kimyasal reaksiyon mekanizması için bir adımlı ve iki adımlı global mekanizma olmak üzere iki adet opsiyon sunmaktadır. Bununla beraber yanma modellemesi de eddy break up(EBU) ve kısmi karışımlı reaktör(PaSR) yöntemleri ile yapılabilmektedir. Akışın yüksek doğruluklu olarak benzetiminin yanında, hesaplama maliyetlerinin de yüksek önemi bulunmaktadır. Bu bağlamda lestr3d'nin paralel hesaplamalı performansı; 448 çekirdeğe kadar ölçeklendirme ve iletişimim bütçesi incelemesi ile yapılmıştır. Buna göre çok-türlü akışlarda, lestr3d mükemmel bir hızlanma performansı göstermiş, bununla beraber her çekirdek sayısında denklem integrasyonları için harcanan zamanın çekirdekler arası iletişim için geçen süreden fazla olduğu gözlemlenmiştir. Neticede, lestr3d çözücüsünün çok-türlü akışlarda da verimli olarak çalıştığı gösterilmiştir. Çözücünün reaksiyonlu akışlar için yetenekleri iyi tanımlanmış küt-cisim alev tutucu geometrisi kullanılarak ön karışımlı türbülanslı alev çalışması yapılarak incelenmiştir. Hidrokarbon bazlı yakıtların oksidasyonu sırasında binlerce türün yüzlerce reaksiyonu ile olmaktadır. Bu bağlamda, kimyasal mekanizmasının uygun olarak seçilmesi hem hesaplama maliyetleri hem de benzetimin doğruluğu açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, bir ve iki adımlı kimyasal mekanizmalar incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Buna göre, hem bir adımlı hem de iki adımlı tepkimelerde olmak üzere lestr3d, ortalama akış özelliklerini ve türbülans aktivitelerini yüksek doğrulukta yakalamıştır. Alev sıcaklığı ise beklenildiği üzere iki adımlı denklemde daha başarılı olarak benzetimi gerçekleştirilmiştir. Bunun sebebi ise karbon monoksit oksidasyonunun da hesaba katılmasıyla reaksiyon entalpisinin daha doğru tahmin edilebilmesine bağlanabilir. Öte yandan, yanma ile beraber akış alanı yüksek sıcaklıklara ve gradyanlara maruz kalmaktadır. Sıcaklık yükseldikçe akışkanın viskositezi yükselmekte ve akış daha disipatif bir karakteristiğe bürünmektedir. Buna göre tepkimeli akış fiziğinin daha iyi yansıtılması ve türbülanslı yapılarının daha verimli eldesi için, yapay sönümleme şemasının incelenmesi ve uygun olarak seçilmesi gerekmektedir. Yüksek ve düşük JST katsayılı durumlar olmak üzere iki farklı durum için yapay sönümleme şemasının etkisi tepkimeli akışlar için incelenmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki yüksek katsayılı durumda türbülans dalgalanmaları fazla tahmin edilmiştir. Düşük katsayılı durumda ise akışın fiziği ve türbülans aktiviteleri yüksek doğruluklu olarak benzetimi gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, düşük katsayılı durumda devridaim bölgesinin uzunluğu ve alev sıcaklığı da yüksek katsayılı duruma göre daha iyi yakalanmıştır. Yanma modelinin, akışın fiziğine uygunluğu için incelenmiştir. Buna göre, kayma bölgesi boyunca yanma modeli etkisi ile beraber reaksiyon oranının sınırlandırıldığı saptanmıştır. Bununla beraber alev yüzeyi boyunca kırışıklık(wrinkle) gözlemlenmiş ve bu mekanizma alevin yayılması boyunca farklı lokasyonlarda ve farklı yönlerde görülmüştür. Buna göre yanma modelinin, reaksiyonlu akışların fiziğine uygun olarak çalışmasıyla beraber lestr3d çözücüsünün alev yüzeyi-türbülans etkileşimini modelleyebildiği görülmektedir. Alevin türbülansa olan etkisi de bu tezin kapsamında incelenmiştir. lestr3d çözücüsü ile elde edilen soğuk akış ve tepkimeli akış sonuçları istatistiksel olarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca OpenFOAM verileri de bu karşılaştırma çalışmasında kullanılmıştır. Sonuçlara göre, baroklinik tork etkisi ile devridaim bölgesi uzunluğunun tepkimeli akışta arttığı görülmüştür. Yoğunluk ve basınç gradyanlarının etkisinde oluşan bu tork, akıştaki hidrodinamik kararsızlıkları bastırarak kayma bölgesini uzattığı görülmüştür. Ek olarak, tepkimeli akışlarda türbülans dalgalanmalarının azaldığı görülmektedir. Bu sonuç ise alevin türbülansı sönümleyici etkisini doğrulamaktadır. Yanma odasının çıkışına doğru termal genişleme etkisinde tepkimeli durumda akışın ivmelendiği görülmüştür. Soğuk akışta ise akış neredeyse hiç ivmelenmemektedir. Sonuç olarak, tepkimeli akışlar için genişletilmiş lestr3d'nin, türbülansın yanma üzerine etkisini, yanmanın türbülans dinamiklerine olan etkisini, türbülans-alev etkileşimlerini başarılı bir şekilde simüle ettigi kodun doğrulanması ile tamamlanmıştır. Son olarak, lestr3d'nin yeteneklerini genişletmek amacıyla, merkezkaç kuvvetinin akışa ve aleve olan etkisi araştırılmıştır. Bu sebeple yanma odası geometrisi değiştirilmiş ve soğuk ve tepkimeli akış benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Soğuk akış sonuçları, normal geometri sonuçları ile anlık ve istatistiksel olarak karşılaştırılmıştır. Buna göre, türbülans etkisinin eğrisel geometride daha fazla olduğu saptanmıştır. Ana akış ve teğetsel yönde türbülans dalgalanmalarının eğrisel geometride kanalın sonuna kadar etkisini gösterdiği gösterilmiştir. Küt cismin hemen arkasından başlayan bu dalgalanmalar akışı direkt olarak etkileyerek von Karman kararsızlıklarının etkisini artırmıştır. Ayrıca erken-zaman alev oluşum çalışması yapılmış ve alevin zaman içinde gelişimi incelenmiştir. Alevin merkezkaç ivmesi etkisi ile beraber kanalın sonunda doğru bütün yanma odasını kapladığı görülmektedir. Kararsızlıklar etkisi ile beraber tüm odayı kaplayan alev, homojen bir şekilde yanma odasını terk etmektedir.
Özet (Çeviri)
Turbulent flows with high Reynolds numbers are common in the majority of aeronautical applications. Especially in propulsion systems where the flow field is subjected to high velocities, achieving an efficient and operable combustion process is a difficult task. Sustainable combustion can only be achieved by providing an appropriate amount of time to mix fresh reactants with hot chemical products in the combustion chamber. Despite the fact that the flow velocity is significantly greater than the flame velocity, combustion can be actively or passively controlled to decelerate the flow, allowing for efficient mixing. Swirling effect or bluff-body flame holders are widely used as control systems for achieving stable combustion. These control mechanisms result in high turbulent activity, recirculating zones, large coherent structures, and instabilities. Thus, a detailed investigation of the complex physics of turbulent combustion is needed. Computational fluid dynamics has become more and more feasible through the years as advancing computer technology has enabled it to simulate combustion applications in complex turbulent flow fields. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulation (LES), and direct numerical simulation (DNS) are the three computational methods to simulate turbulent flows. The statistical description of turbulence is provided by RANS. In RANS, the mean flow field is solved while additional fluctuating terms are modeled. Since the whole scale in the flow is modeled, RANS is not suitable for turbulent combustion applications because the high accuracy is needed for complex flow patterns, break-down of vortical structures, pollutant emissions, etc. On the other hand, DNS is based on the resolution of every time and length scale in the flow field. The governing equations are directly solved without any modeling approaches for turbulence. The computational cost of DNS is still not feasible for conventional applications. DNS is now primarily used for academic purposes, with small computational domains, and so on. LES is the hybrid method located between RANS and DNS. In LES, the high-energy-containing large-scale structures are directly resolved, while the smaller-scale structures are modeled in consideration of the universal behavior of the smallest scales. A spatial filtering approach is imposed on flow field variables, and the scales smaller than the spatial filter are modeled via modeling approaches. Turbulent reacting flows are highly unstable and governed by large-scale coherent structures. So, for resolving the large-scale unsteady flow physics, LES is considered the most promising method for combustion applications. The in-house solver, lestr3d, is a density-based compressible flow solver to simulate turbulent flows using the LES approach. The software has been developed with the FORTRAN programming language and parallelized by message passing interface libraries. lestr3d, as the modular solver, can simulate various turbulent flow problems using various approaches. Within the scope of this thesis, the capabilities of lestr3d is improved further for combustion applications. Furthermore, simulations regarding the dynamics of bluff-body stabilized turbulent flame have been carried out. The multi-species LES equations are spatially discretized by a second-order cell-centered finite volume method. Second-order two and five stage Runge-Kutta and the dual time stepping method are used for temporal integration. The non-physical oscillations due to odd-even decoupling of the solution are suppressed by introducing Jameson-Turkell-Schmidth (JST) artificial dissipation scheme. The gradients for viscous and subgrid scale fluxes are computed via Green-Gauss gradient method. Turbulence modeling is optioned with the compressible Smagorinsky, WALE and k-sgs methods. Furthermore, lestr3d is diversified with one and two step global chemical mechanisms for propane oxidation and combustion can be modeled via the eddy break up (EBU) and partially stirred reactor (PaSR) combustion models. Additionally, characteristic boundary conditions for multi-species applications are implemented in the solver. The computational performance of lestr3d is evaluated in two aspects: scalability and communication performances. The parallel performance of lestr3d is tested on two high performance computing platforms for reacting flows. The solver shows almost linear speed-up performance up to 448 cores. Furthermore, in every core number, the time required for solution integration is greater than the time required for communication between parallel processors. All in all, lestr3d solver has been proven to be computationally efficient for numerical investigations of multi-species gas phase flows. The capabilities of the in-house solver lestr3d are investigated for a triangular flame holder bluff-body stabilized premixed flame problem. The oxidation of hydrocarbon based fuels takes place with hundreds of chemical reactions, including thousands of chemical species. So, the determination of chemical mechanisms has crucial importance both for the computational efficiency and accuracy of the simulation. Global one and two step chemical mechanisms are investigated in this study. The results show that, lestr3d shows promising performance on capturing turbulent activities and mean flow features in reacting flow simulations for both one-step and two-step reaction mechanisms. As excepted, two step mechanism has yielded better performance on predicting flame temperature due to consideration of the additional chemical reaction of carbon monoxide, resulting with better heat of reaction estimation. On the other hand, combustion introduces high temperatures and high gradients throughout the flow field. As the temperature gets higher, the viscosity of the fluid is increasing as well. So, the turbulent combustion has high dissipating characteristics. Therefore, the artificial dissipation mechanism should be investigated to capture the physics and turbulent structures accurately. A comparison study on artificial dissipation has been conducted to evaluate the appropriate lay-out. Two cases with high and low JST coefficients are compared. The results indicated that the case with high coefficients over-predicted the turbulent velocity fluctuations. However, lower coefficients have captured physical behavior of turbulence reasonably better. On the other hand, the length of the recirculation zone is altered due to combustion. The case with low artificial dissipation have shown better performance on predicting recirculating length behind the bluff body and mean flow features as well as the flame temperature. Furthermore, the implementation of PaSR combustion model is investigated. It is demonstrated that the reaction is restricted with the regions of high shear and turbulent activities by PaSR coefficient κ. It is also shown that the flame is wrinkled as it propagates through combustion chamber. Due to turbulent fluctuations, the location and direction of flame wrinkling have been changed. All in all, lestr3d is said to be capable of capturing flame front-turbulence interactions. The effect of flame on turbulent flow is also demonstrated on this study by comparing reacting and cold flow results using in-house solver, lestr3d. The recirculation zone is said to be elongated in reacting flows due to combustion-induced phenomena; baroclinic torque. The torque suppresses the hydrodynamic instabilities and lengthens the shear layer. In addition, the reaction thickened the recirculation zone while suppressing turbulent fluctuations. Flame has a strong effect on the anisotropy of the flow field. The presence of the flame causes low anisotropy. On the other hand, the existence of the flame has decreased the velocity fluctuations, especially in the wall-normal direction. Additionally, reaction showed flow-accelerating effects through the downstream of the combustion chamber due to thermal expansion. In contrast, the acceleration on cold flow is nearly zero. Overall, the reacting solver lestr3d is shown to be capable of capturing the complex physics of reacting flows, the turbulence-combustion interactions and combustion induced turbulence behaviors. The effect of centrifugal acceleration on the instantaneous and statistical features of the non-reacting flow has been investigated. It is concluded that the curvature enhances the turbulent intensity throughout the curved combustor. Both axial and wall-normal velocity fluctuations preserve their dominance downstream of the combustion chamber. The generation of high turbulence increases the sinusoidal behavior of the flow field due to von Karman instabilities. The capability of lestr3d solver for more complex combustion applications is shown. Furthermore, reacting flow simulations for the curved combustor geometry are carried out. The flame spreading is said to be enhanced through the end of the combustion chamber. Within the effect of curvature, the flame covers the entire combustion chamber and leaves the combustor.
Benzer Tezler
- Non-reacting flow characteristics of a novel bluff body and swirl-stabilized partially premixed combustor
Yeni geliştirilen kısmi karışımlı bir yakıcının soğuk akış karakteristikleri
YUNUS EMRE KARASU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Investigations on the effects of conical bluff body geometry on nonpremixed methane flames
Konik küt cisim yakıcı geometrisinin ardında oluşan önkarışımsız metan alevlerine etkisinin araştırılması
ALPER ATA
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Yüksek hızlı sürekli yanma sistemlerinde alev kararlılığının incelenmesi
A Study on flame stabilization in high speed continuous combustion system
SEZGİN SARAÇOĞLU
- Investigating conjugate heat transfer in a square cylinder via Lattice boltzmann method
Lattice boltzmann yaklaşımıyla kare silindirde birleşik ısı transferinin incelenmesi
AANIF HUSSAIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAYRAM ÇELİK
- Experimental investigation of bluff body wake modification by splitter plate
Ayırıcı levha ile küt cisim iz modifikasyonunun deneysel olarak incelenmesi
SALİHA BANU YÜCEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. N. L. OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
PROF. DR. M. FEVZİ ÜNAL
