Analysis of turbulent combustion and stability characteristics in liquid propellant rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorlarında türbülansı yanma ve kararlılık karakteristiği analizi
- Tez No: 842514
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 214
Özet
Yanma kararsızlığı, yanma dinamiği alanında kritik bir fiziksel olgudur. Bu olgu, yanma odası içindeki akışkan dinamiği, ısı transferi ve kimyasal kinetiğin karmaşık etkileşimi sonucunda meydana gelir. Bu da istenmeyen, kendini sürdüren basınç salınımlarına neden olur ve dolayısıyla da yanma odalarının tasarımı ve çalışmasında önemli zorluklar ortaya çıkarır. Bu nedenle, yanma kararsızlığını önceden tahmin etmek ve tasarım aşamasında ortadan kaldırmak kritiktir. Bu tezin amacı, sıvı yakıtlı roket motorları yanma odasında yanma dinamiklerini termoakustik etkileri göz önünde bulundurarak, yanma odasının kararlılık özelliklerinin belirlenmesi için kullanılabilecek bir hesaplama yöntemi geliştirmektir. Bir yanma odasının doğrusal termoakustik kararlılığı, yanma odası akustiği ve zamana bağlı ısı salınımı dalgalanmaları arasındaki etkileşimleri içeren homojen olmayan dalga denklemi çözülerek belirlenebilir. Zamana bağlı ısı salınımı dalgalanmaları genellikle bir alev transfer fonksiyonu ile denkleme dahil edilmektedir. Alev transfer fonksiyonu ve yanma odası sınır koşullarının frekansa bağımlı doğası nedeniyle, termoakustik problemin formülasyonu ikinci dereceden doğrusal olmayan özdeğer problemine dönüşmektedir. Özdeğer probleminin çözümü için doğrusallaştırma yaklaşımları kullanılmaktadır. Bu çalışmada, tümü yinelemeli bir algoritmayla sonuçlanan, biri çalışma kapsamında önerilen üç farklı doğrusallaştırma yaklaşımı incelenmiştir. Önerilen çözüm yöntemi uygulanmış ve akademik bir problem kullanılarak doğrulanmıştır. Aynı zamanda literatürde“Sürekli Değişken Rezonans Yanma Odası”(CVRC) olarak da bilinen deneysel bir yanma odası da, geçerleme çalışması kapsamında incelenmiştir. Bu kapsamda akustik hesaplamalarda kullanılan frekansa bağlı alev transfer fonksiyonu geniş burgaç benzetimi (LES) kullanılarak elde edilmiştir. Tez kapsamında elde edilen sonuçlar, önerilen çözüm yöntemi ve doğrusallaştırma yaklaşımının özellikle frekansa bağlı kaynak terimleri ile iyi çalıştığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Combustion instability is a critical phenomenon in the field of combustion dynamics. It occurs as a result of the complex interplay of fluid dynamics, heat transfer, and chemical kinetics within combustors, resulting in undesirable, self-sustaining pressure oscillations and hence posing considerable difficulty in the design and operation of various combustion systems. Therefore, predicting combustion instability and mitigating it during the design of a combustion chamber is critical. The main objective is to develop a computational framework for characterizing the chamber dynamics of liquid propellant rocket engines under linear thermoacoustic effects, which can be used to assess stability characteristics for safe operation. The linear thermoacoustic stability of a combustion chamber may be determined by solving the nonhomogeneous wave equation with the interactions between the acoustic and heat release fluctuations, which are usually encoded in a flame transfer function. Due to the frequency dependent nature of it and the chamber boundary conditions, the problem becomes a nonlinear eigenvalue problem with frequency dependent coefficient matrices. This nonlinear problem requires linearization to reduce it to a solvable form. Three different linearization approaches are investigated in this study, one of which is proposed within the scope of the thesis, and all of them result in an iterative algorithm. The proposed solution methodology is implemented and validated against a canonical problem. An experimental combustor, also known as a Continuously Variable Resonance Combustor (CVRC) in the literature, is also studied to acquire the frequency dependent flame transfer functions required in thermoacoustic calculations by utilizing large eddy simulation (LES) for verification purposes. The acquired results of the study show that the proposed solution methodology and linearization approach perform well, especially with frequency dependent source terms.
Benzer Tezler
- Sıvı yakıtlı roket motorlarında çarpışmalı enjektörlerin atomizasyon karakteristiklerinin incelenmesi
Atomization characteristics of impinging-jet injectors in liquid rocket engines
BURAK CENİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
- Gemi diesel motorlarının yanma odasındaki akışkan karakteristiklerinin iki boyutlu incelenmesi
Determination of fluid flow characteristics in combustion chamber of marine diesel engines
NACİ KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. O. KAMİL SAG
- Sürekli yanma odalarında alev cephesinin dinamik yapısına ait bir çalışma
A Study on the dynamic structure of flame front in continuous combustion chambers
ALİ SÜRMEN
- Renksiz dağıtılmış yanma şartlarında seyrelticinin yanma karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical analyses of diluent effect on combustion characteristics under colorless distributed combustion conditions
KENAN BİLGİN KEKEÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERHAT KARYEYEN