Geri Dön

Impact of hydrogen addition on combustion characteristics in a swirl-stabilized partially premixed combustor

Gırdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odasına hidrojen ilavesinin yanma karakteristiklerine etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 807029
  2. Yazar: TUĞBA KARASU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Aeronautical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 102

Özet

Günümüzde, hızla artan enerji ihtiyacı, çevre kirliliği ve enerji kaynaklarının yetersiz kalması gibi önemli sorunları beraberinde getirmektedir. Bu durum, mevcut enerji üretim yöntemlerinin gözden geçirilmesi ve sürdürülebilir alternatiflerin araştırılması ihtiyacını ortaya çıkarmaktadır.Hidrojen, bu araştırmaların odak noktasında yer alan önemli bir enerji kaynağıdır. Hidrokarbon yakıtların çevresel etkileri ve sınırlı kaynakları, havacılık sektöründe hidrojenin kullanımına yönelik teknolojik ilgiyi artırmıştır. Hidrojenin havacılık itki sistemlerinde kullanımı, çevresel sürdürülebilirlik ve verimlilik avantajları gibi nedenlerle önemli bir araştırma alanı olmuştur. Hidrojenin geniş yanma limiti, yüksek enerji yoğunluğu ve yüksek laminar alev hızı gibi özellikleri, havacılık sektöründe verimlilik ve performans açısından önemli bir potansiyel sunmaktadır. Bunun yanı sıra, hidrojenin temiz bir enerji kaynağı olması, havacılık sektörünün sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmasında kritik bir faktördür. Bu nedenlerle, hidrojenin havacılıkta gaz türbin motorlarında kullanımı için deneysel ve sayısal çalışmaların yapılması ve teknolojik gelişmelerin sağlanması büyük önem taşımaktadır. Gaz türbinli motorlar, enerji ve itki üretiminde yaygın olarak kullanılan bir teknolojidir. Bu motorlarda genellikle hidrokarbon yakıtlar kullanılmaktadır. Son yıllarda yapılan bilimsel araştırmalar, kısmi karışım yöntemlerinin gaz türbin motorlarında daha yüksek verim ve daha düşük emisyon değerleri sağlayabileceğini göstermektedir. Kısmi karışımlı yanma, yakıtın yakıcıya girmeden evvel sınırlı miktarda hava ile karıştırıldığı bir yanma yöntemidir. Bu yöntem, hem yanma verimliliğini artırırken hem de emisyon düzeylerini azaltmaya yardımcı olur. Böylece, yakıtın daha verimli bir şekilde kullanılması ve emisyonların azaltılması sağlanır. Havacılık itki sistemlerinin tasarımında deneysel çalışmaların yanı sıra sayısal çalışmalar da artan bilgisayar gücü sayesinde önem kazanmıştır. Günümüzde, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri kullanılarak yapılan sayısal çalışmalar havacılık itki sistemlerinin araştırılmasında önemli bir araç haline gelmiştir. Bu yaklaşım, deneysel çalışmaların maliyet ve güvenlik sorunlarını aşmayı sağlamaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri arasında genel olarak RANS , LES ve DNS yöntemleri bulunmaktadır. DNS yöntemi, motor içerisindeki yanma hesaplamaları için gereken yüksek işlemci gücü ve bellek nedeniyle halen uygulanabilir değildir. Ancak, RANS ve LES yöntemleri hesaplama maliyeti açısından daha uygun olduğundan sayısal çalışmalarda sıklıkla tercih edilmektedir. Özellikle LES yöntemi, daha geniş ölçekli ve detaylı analizlerin gerçekleştirilmesine olanak sağlamaktadır. Hidrokarbon yakıtların hidrojenle zenginleştirilmesi, araştırma çevrelerinde giderek popüler hale gelen bir çalışma alanıdır. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, büyük bir kısmının ön karışımsız ve karışımlı yanma odaları için gerçekleştirildiği görülmektedir. Ancak, girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odalarının, hem hidrokarbon hem de hidrojen ilaveli yakıtlar için yanma analizlerinin çok sınırlı olduğu tespit edilmiştir. Bu tarz yanma odalarında hidrojen ilavesinin akış ve alev alanları üzerindeki etkileri henüz yeterince anlaşılmamıştır. Bu tezin temel amacı, girdaplayıcı içeren radyal enjeksiyon sistemine sahip bir kısmi karışımlı yakıcının tepkimeli analizlerini sayısal olarak gerçekleştirmek ve bu sayede yanma odası içerisindeki alev karakteristiği hakkında bilgi sağlamaktır. Aynı zamanda, aynı yakıcı için metan yakıtına hidrojen ilave ederek, hidrojen zenginleştirmesinin bu tip bir yanma odasındaki alev karakteristiği, akış yapısı, kararlılık ve karbon salınımları gibi parametreler üzerindeki etkisini literatürdeki çalışmalarla karşılaştırmalı olarak inceleyerek literatüre katkıda bulunmaktır. Bu hedefler doğrultusunda, öncelikle temel bir referans noktası sağlamak amacıyla ön karışımsız bir metan alevi olan Sandia D alevinin sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, Sandia D alevine belirli yüzdelerde hidrojen eklenerek yakıt karışımlarının etkileri incelenmiştir. Ardından, girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı bir yanma odasında metan alevinin sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak, bu yanma odasında, hacimsel olarak %40 hidrojen - %60 metan yakıtı ile yanma analizi gerçekleştirilmiş ve akış karakteristiği, alev yapıları gibi parametreler karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Tüm sayısal çalışmalar, analizlerin yürütülmesi için açık kaynaklı OpenFOAM programı kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, RANS yaklaşımı kullanılarak Sandia Flame D alevi üzerinde yanma analizleri gerçekleştirilmiştir. Sandia Flame D, türler ve hız alanları için kapsamlı deney verileri sunan ve literatürde sıklıkla kullanılan iyi belgelenmiş bir deneydir. Bu deneysel çalışma, farklı yanma modelleri, reaksiyon mekanizmaları ve radyasyon modellerinin araştırılmasına olanak sağlamıştır. Yapılan analizler sonucunda, yanma odasındaki sıcaklık dağılımları ve kimyasal tür oluşumları deneysel verilerle karşılaştırılarak kullanılan çözücü ve benimsenen nümerik model doğrulanmıştır. Daha sonra, farklı yanma modelleri, tepkime mekanizmaları ve radyasyon modelleri kullanılarak parametrik bir çalışma yapılmış ve sonuçlar sayısal doğruluk ve analiz maliyetleri açısından incelenmiştir. Bu sonuçlar, reduced GRI-3.0 reaksiyon mekanizması, PaSR yanma modeli ve P-1 radyasyon modelinin kullanıldığı çalışmanın, deney verileriyle en iyi uyumu sağladığını ve maliyet etkin bir seçenek olduğunu göstermiştir. Ardından, Sandia D alevine farklı yüzdelerde hidrojen eklenerek alev sıcaklıkları ve zararlı gaz oluşumları incelenmiştir. Alev karakteristiği ve emisyon davranışları göz önüne alındığında, hidrojen yüzdesinin artışı karbon kaynaklı gaz salınımlarını ciddi oranda azaltırken, belirli bir hidrojen ilavesinin ötesinde alev sıcaklıklarının artışı sınırlı kalmıştır. Bunun sonucunda, termal NOx oluşumunun belirgin bir şekilde arttığı tespit edilmiştir. Yapılan karşılaştırmalarda, %40 hidrojen zenginleştirmesinin CO2-NO gaz salınımları açısından en uygun değer olduğu ortaya çıkmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, tezin ana odak noktası olan girdaplayıcı içeren radyal enjeksiyona sahip kısmi karışımlı bir yanma odası incelenmiştir. Bu aşamada, yanma odasının geometrisi ve akış düzeni dikkate alınarak, metan alevinin kimyasal tepkimeli akış analizi, LES yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar sırasında, girdaplayıcı doğrudan çözüm alanına dahil edilmemiştir. Bunun yerine, girdaplayıcının etkisini sayısal olarak simüle etmek için hız sınır şartları kullanılmıştır. Bu yaklaşım, hesaplama maliyetlerini azaltırken, girdaplayıcının etkisini doğru bir şekilde modellemeyi sağlamıştır. Ayrıca, yakıt ana jeti üzerindeki radyal delikler, sayısal sınır şartlarıyla temsil edilmiştir. Bu yaklaşım aynı zamanda analiz maliyetlerini azaltmaya yardımcı olmaktadır. Yapılan analizler, yanma odasındaki akış ve sıcaklık alanlarının detaylı bir şekilde incelenmesini mümkün kılmıştır. Sonuçlar, yanma odası girişinde girdaplayıcı kaynaklı merkezi bir resirkülasyon bölgesinin oluştuğunu göstermektedir. Bu merkezi resirkülasyon bölgesinin, alevin tutunması için en önemli parametre olduğu görülmüştür. Ayrıca, yanma odasının en yüksek sıcaklıklarının bu bölgede oluştuğu tespit edilmiştir. Yanma odası boyunca farklı eksenel ve teğetsel hız dağılımları, deney verileriyle karşılaştırılarak tutarlı bir uyum elde edilmiştir. Yanma karakteristikleri, sıcaklık dağılımları ve türlerin oluşumu üzerinden ayrıntılı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Sayısal yöntemde, deney verileriyle daha uyumlu sonuçlar elde edilmesi amacıyla değişiklikler yapılmıştır. Bu kapsamda, radyasyon modeli ve PaSR yanma modeli katsayılarının değiştirildiği parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Radyasyon modelinin kullanılması ve uygun PaSR model katsayılarının seçimiyle, deney verileriyle daha uyumlu sonuçlar elde edilebileceği gösterilmiştir. Bu karşılaştırmalar, LES yaklaşımının girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı alevin akış ve yanma karakteristiklerini başarılı bir şekilde yansıttığını göstermektedir. Çalışmanın son aşamasında, girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odasına hidrojen eklenerek LES yöntemiyle sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma sonuçları, akış ve yanma karakteristikleri açısından değerlendirilmiş ve \%100 metan alevi sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Hidrojen ilavesi, akış alanlarında büyük değişikliklere neden olmasa da alev yapısında belirgin değişikliklere yol açmıştır. Hidrojen ilavesi, akışın eksenel yönde hızlanmasını ve eksenel hızlarda artışı beraberinde getirmiştir. Sıcaklık alanları incelendiğinde, alevin yapısal olarak değiştiği görülmüştür. Alevin boyunun kısalıp kalınlığının arttığı tespit edilmiştir. Özellikle anlık alev yapıları karşılaştırıldığında, hidrojen eklenen alevin tutunma bölgesinde daha kararlı bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir. Tür oluşumları incelendiğinde, merkezi resirkülasyon bölgesinde OH konsantrasyonunun arttığı görülmüştür. Aynı zamanda, yanma odası boyunca CO ve CO2 gaz oluşumlarının önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. Bu tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar, hidrojen ilavesinin yanma kararlılığını artırdığını ve karbon kaynaklı gaz salınımını azalttığını göstermiştir. Gelecekteki çalışmalarda, farklı hidrojen yüzdelerinin akış ve alev karakteristiği üzerindeki etkilerinin daha detaylı bir şekilde incelenmesi ve ayrıca NOx emisyonları üzerindeki etkisinin araştırılması önerilmektedir. Bu şekilde, hidrojenin enerji dönüşüm süreçlerindeki potansiyelini daha iyi anlamak ve temiz, verimli yanma sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmak mümkün olacaktır.

Özet (Çeviri)

In today's world, rapidly increasing energy demand brings along significant challenges such as environmental pollution and inadequacy of energy resources. This situation necessitates a reevaluation of current energy production methods and the exploration of sustainable alternatives. Hydrogen is a crucial energy source that is at the forefront of these research efforts. The environmental impact and limited resources of hydrocarbon fuels have increased technological interest in the use of hydrogen in the aviation sector. The utilization of hydrogen in aviation propulsion systems has become a significant research area due to reasons such as environmental sustainability and efficiency advantages. The wide flammability range, high energy density, and high laminar flame speed of hydrogen present significant potential for efficiency and performance in the aviation industry. Additionally, hydrogen's clean energy source nature is a critical factor in achieving sustainability goals in the aviation industry. For these reasons, conducting experimental and numerical studies and ensuring technological advancements for the use of hydrogen in gas turbine engines in aviation are of great importance. Gas turbine engines are widely used technology for energy and thrust production, typically fueled by hydrocarbon fuels. Recent scientific research has shown that partially premixed methods can provide higher efficiency and lower emission values in gas turbine engines. Partially premixed combustion is a combustion method where a limited amount of air is mixed with the fuel before entering the combustor. This method enhances combustion efficiency and helps reduce emission levels, enabling more efficient fuel utilization and emission reduction. In the design of propulsion systems, numerical studies have gained importance alongside experimental research, thanks to the increasing computational resources. Nowadays, numerical studies conducted using computational fluid dynamics (CFD) methods have become a valuable tool in investigating aviation propulsion systems. This approach overcomes the cost and safety issues associated with experimental studies. The commonly used CFD methods include Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulation (LES), and direct numerical simulation (DNS). DNS, due to its high computational cost and memory requirements for combustion problems, is currently not feasible. However, RANS and LES methods are more computationally affordable and are frequently preferred in the numerical studies. In particular, the LES method allows for larger-scale and more detailed analyses to be conducted. The enrichment of hydrocarbon fuels with hydrogen is an increasingly popular research topic. When reviewing the literature, it is evident that a significant portion of the studies focuses on premixed and non-premixed combustors. However, there is a limited number of studies analyzing combustion characteristics in partially premixed combustor, specifically for both hydrocarbon and hydrogen-enriched fuels. The effects of hydrogen addition on flow and flame fields in such combustors are not yet fully understood. The main objective of this thesis is to perform numerical combustion analyses of a partially premixed burner with a swirler and radial injection system, thereby providing insights into the flame characteristics within the combustor. Additionally, by introducing hydrogen into the methane fuel for the same burner, the thesis aims to contribute to the literature by comparing the effects of hydrogen enrichment on parameters such as flame characteristics, flow structure, stability, and carbon emissions in such a combustor, in a comparative manner with existing studies. In line with these objectives, numerical analyses of the Sandia Flame D, which serve as a fundamental reference case and represent a non-premixed methane flame, are examined. The effects of adding hydrogen at specific percentages to the fuel mixture are investigated. Next, numerical analyses of a swirl stabilized partially premixed combustor are performed for a methane. Finally, combustion analysis is conducted in this combustor using a fuel mixture consisting of 40\% hydrogen and 60\% methane by in volume. Parameters such as flow characteristics and flame structures are discussed comparatively. Open-source software OpenFOAM is utilized for all numerical investigations. In the initial phase of the study, the numerical studies are conducted on the Sandia Flame D using the RANS approach. Sandia Flame D is a well-documented experiment widely used in the literature, providing comprehensive experimental data for species and velocity fields. This experimental study facilitates the exploration of different combustion models, reaction mechanisms, and radiation models. As a result of the conducted analyses, the temperature distributions and chemical species formations in the combustor are verified by comparing them with experimental data. Subsequently, a parametric study is performed using different combustion models, reaction mechanisms, and radiation models, and the results are examined in terms of numerical accuracy and analysis costs. These findings demonstrate that the study employing the reduced GRI-3.0 reaction mechanism, PaSR combustion model, and P-1 radiation model achieves the best agreement with experimental data while being a cost-effective option. Additionally, by adding hydrogen at different percentages to the Sandia Flame D, the flame temperatures and formation of emission gases are investigated. Considering the flame characteristics and emission behavior, increasing the hydrogen percentage significantly reduces carbon-containig gas emissions, while the increase in flame temperatures remains limited beyond a certain hydrogen addition. Consequently, a noticeable increase in thermal NOx formation is observed. In the comparisons made, it is revealed that a 40% hydrogen enrichment is the most suitable value in terms of CO2-NO gas emissions. In the second phase of the study, the focus is on investigating a swirl stabilized partially premixed combustor with radial injection. The geometry and flow pattern of the combustor are taken into consideration for conducting a combustion analysis of the methane flame using the LES method. During the simulations, the swirler geometry is not directly included in the computational domain. Instead, the swirl effect is simulated numerically using velocity boundary conditions. This approach reduces computational costs while accurately modeling the swirl effect. Additionally, the radial injection holes on the main fuel jet are represented using numerical boundary conditions, further aiding in cost reduction for the analysis. The analyses performed enable a detailed examination of the flow and temperature fields within the combustor. The results demonstrate the formation of a central recirculation zone induced by the swirling flow at the inlet of the combustor. This central recirculation zone is identified as the most significant parameter for flame stabilization. Furthermore, it is found that the highest temperatures occur in this region. Different axial and tangential velocity distributions along the combustor are obtained, showing consistent agreement with experimental data. A detailed analysis of combustion characteristics, temperature distributions, and species formation is conducted. Additionally, a parametric study is conducted to achieve results that are more compatible with the experimental data. As a result, it is shown that the use of a P-1 radiation model and appropriate PaSR model coefficients can lead to more consistent results with experimental data. These comparisons demonstrate the successful representation of flow and combustion characteristics of the swirl stabilized partially premixed flame using the LES approach. In the final stage of the study, numerical investigations are conducted using the LES method on the same combustor, with the addition of hydrogen. The numerical results are evaluated in terms of flow and combustion characteristics and compared with the results of a 100% methane flame. The addition of hydrogen causes significant changes in the flame structure. Although the addition of hydrogen does not result in major alterations in the flow fields, it leads to noticeable modifications in the flame structure. The addition of hydrogen accelerates the axial flow and increases axial velocities. Examination of the temperature fields reveals structural changes in the flame. It is observed that the flame length decreases while the flame thickness increases. Particularly, when comparing instantaneous flame structures, it is found that the flame with hydrogen addition exhibits a more stable structure in the anchoring region. Analysis of species formation indicates an increased OH concentration in the central recirculation zone. Additionally, significant reductions in CO and CO2 formation are observed throughout the combustion chamber. The results obtained in this thesis work demonstrate that the addition of hydrogen enhances combustion stability and reduces carbon-related gas emissions. For future studies, it is recommended to further investigate the effects of different hydrogen percentages on flow and flame characteristics. Additionally, exploring its impact on NOx emissions would be beneficial. Such investigations would contribute to a better understanding of hydrogen's potential in energy conversion processes and the development of clean and efficient combustion systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    485366

    An experimental investigation of in situ combustion in fractured heavy oil systems

    Çatlaklı ağır petrol sistemlerinde yerinde yanmanın deneysel olarak incelenmesi

    MELEK DENİZ PAKER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ÇINAR

  2. Tez No

    899172

    Hidrojenle zenginleştirilmiş biyodizel-dizel yakıt karışımı ile beslenen bir motorda yanma, performans, emisyon ve titreşim karakteristiklerinin incelenmesi

    Investigation of combustion, performance, emission and vibration characteristics of an engine fueled with a hydrogen-enriched biodiesel-diesel fuel blend

    NECDET ALÇELİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiDüzce Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SUAT SARIDEMİR

  3. Tez No

    713410

    Linyit, biyokütle ve karışımlarından elde edilen yanmaoranı değerlerine sıcaklığın etkisinin makine öğrenmesiile modellenmesi

    Modeling of the effect of temperature on burnoutvalues obtained from lignite, biomass and their mixturesby machine learning

    ÖZGE DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERDAR YAMAN

  4. Tez No

    557502

    Elektrikli araçların dağıtım şebekesine etkisinin maliyet analizi ve genetik algoritma ile en iyileştirilmesi

    Effects of electric vehicles on distribution network, cost analysis and optimization with genetic algorithm

    HAZAL ÇİFTÇİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BELGİN EMRE TÜRKAY

  5. Tez No

    363514

    Hidrojen karışımlı yakıtların gemilere uygulanabilirliğinin ve emisyon salınımlarına etkilerinin incelenmesi

    Investigating hydrogen blend fuels applicability on ships and effects on emissions

    BURAK ZİNCİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CENGİZ DENİZ

Geri Dön