Non-reacting flow characteristics of a novel bluff body and swirl-stabilized partially premixed combustor
Yeni geliştirilen kısmi karışımlı bir yakıcının soğuk akış karakteristikleri
- Tez No: 883409
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay 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: 125
Özet
Artan dünya nüfusu beraberinde enerji kullanımını da giderek artırmaktadır. Günümüzde en önemli endüstriyel güç kaynağı hidrokarbon fosil yakıtlarında depolanan kimyasal enerji ve bunların işlenmiş türevleridir. Fosil yakıtların enerji üretimi ve itki sistemlerindeki kullanımı kirletici gaz salınımlarının büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Giderek artan atmosfer kirliliği ve iklim değişikliği daha verimli ve daha az çevreyi kirletici gaz salınımı yapan yakıcı sistemlerinin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Yakıcı içerisindeki türbülanslı akışın araştırılması, akış ve alev dinamiklerinin incelenmesi, bu sistemlerin tasarım ve üretim aşamasındaki en önemli parametrelerden biridir. Günümüzde sahip olunan yüksek hesaplama performansına sahip bilgisayarlar bu araştırmaların nümerik olarak gerçekleştirilmesini mümkün kılmaktadır. Akıştaki türbülans yapılarının anlık ve zaman ortalamalı incelenmesinde LES yaklaşımı en etkili yöntemlerden biri olarak ön plana çıkmaktadır. Çevre kirliliğini azaltmak için modern gaz türbin sistemlerinde genellikle ön karışımlı ve kısmi karışımlı fakir yanma kullanılır. Bu tarz yakıcılar kullanılarak daha verimli yanma ve daha az kirletici gaz salınımı sağlanır. Ancak, ön karışımlı yanma odası sistemleri yapısı gereği başarılı ateşlemeyi engelleyecek ve geri tepmeye yol açabilecek kararsız özelliklere sahiptir. Bu bağlamda, kısmi karışımlı yanma sistemleri daha güvenli ve daha kararlı bir seçenek olarak son yıllarda öne çıkmaktadır. Kısmi karışımlı yanma sistemleri tasarımında önemli parametrelerden biri de yakıt ve oksitleyicinin verimli bir şekilde karışmasıdır. Kısmi karışımlı yanma odalarında karışımı ve alev kararlılığını artırmak için birtakım yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden en bilinen ikisi girdaplayıcı (swirler) ve küt cisim (bluff body) kullanımıdır. Ayrıca enjeksiyon deliklerinin tasarımı da özellikle yakıt ve oksitleyici karışımı için büyük öneme sahiptir. Girdaplayıcı akışa teğetsel yönde bir hız kazandırarak karışımı artırır ve yanma odası içerisinde sirkülasyon alanları oluşturarak akış kararlılığına olumlu yönde etki eder. Küt cisim ise, iz bölgesinde sirkülasyon alanı oluşturarak karışım ve akış kararlılığında artış sağlar. Bu yöntemler yanma odası içerisinde karmaşık ve zamana bağlı akış alanları meydana getirir. Bu sistemlerin LES yöntemi ile incelenmesi anlık ve zamana bağlı davranışların incelenmesinde hayati öneme sahiptir. Literatür incelendiğinde küt cisim ve girdaplayıcıyı birlikte içeren yanma odası tasarımları oldukça kısıtlıdır. Ayrıca, kısmi karışımlı yanma odalarında bu sistemlerin birlikte bulunduğu bir tasarım çok azdır. Bu sistemlerin yanma odalarında birlikte kullanımının yaratacağı dinamik ve karmaşık akış karakteristiği bilinmezliğini korumaktadır. Bu tezin asıl amacı, küt cisim ve girdaplayıcı içeren bir kısmi karışımlı yanma odası tasarımı yapılarak yakıcının karışım karakteristiğinin artırılmasıdır. Yazarın bilgisi dahilinde, geliştirilen küt cisim ve girdaplayıcı içeren radyal enjeksiyona sahip kısmi karışımlı yanma odası tasarımı literatürde bir ilktir. Bu tezin çıktılarının, bu alanda yeni geliştirilecek olan yakıcı tasarımları için genel bir perspektif kazandıracağı düşünülmektedir. Bu hedefler kapsamında tezin ilk aşamasında, ön karışımsız bir alev olan Sandia Flame D alevi LES yaklaşımı kullanılarak OpenFOAM çözücüsü vasıtasıyla incelenmiştir. Sandia Flame D, literatürde sıklıkla kullanılan ve iyi dokümante edilmiş bir deney verisi olduğu için akış alanı, sıcaklık dağılımları ve kimyasal türler gibi birçok veriyi sunmaktadır. Bu çalışma kullanılarak LES yaklaşımı ve OpenFOAM yetenekleri doğrulanmıştır. Çalışmanın son aşamasında alev üzerindeki karışmış ve karışmamış bölgeler belirlenerek, yanma odası içerisinde karışım dinamiklerinin nasıl oluştuğuna dair bilgi elde edilmiştir. Son olarak, yetersiz karışıma sahip olan bölgelerde $CO$ oluşumunun maksimuma ulaştığı gözlemlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı bir yanma odası içerisindeki soğuk akış LES yaklaşımı ile incelenmiştir. Çalışmanın bu aşamasında, hesaplama performansını artırmak maksadıyla girdaplayıcı gibi kompleks bir geometri doğrudan akış alanı içerisinde modellenmemiştir. Bunun yerine, iki farklı nümerik strateji kullanılarak akışta girdap etkisinin giriş sınır şartı vasıtasıyla kazandırılması hedeflenmiştir. İlk stratejide eksenel ve teğetsel sabit hız alanları sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. İkinci stratejide ise, zamana bağlı belirli bir frekans ile dönen dinamik bir hız sınır koşulu tanımlanmıştır. Elde edilen sonuçlar deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak akışta girdap etkisi giriş sınır şartı ile başarılı bir şekilde modellenmiştir. Ayrıca, girdap içeren kısmi karışımlı yanma odası içerisindeki akış karakteristiği tespit edilmiştir. Tezin son aşamasında ise, bir önceki bölümde incelenen yanma odası tasarımı yeniden düzenlenerek yeni bir yakıcı tasarımı geliştirilmiştir. Öncelikle yakıcı girişine konik geometriye sahip bir küt cisim eklenmiştir. Ayrıca yakıt enjeksiyon delikleri daha verimli bir karışım elde edilecek şekilde yeniden tasarlanmıştır. Bu bağlamda, enjeksiyon delikleri dairesel şekilden eliptik şekile çevrilmiş ve delik sayısı sekizden on altıya çıkarılmıştır. Enjeksiyon sistemi küt cisim üzerine yerleştirilerek yakıtın bu bölümden akışa radyal yönde enjekte edilmesi sağlanmıştır. Geliştirilen küt cisim ve girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odası içerisindeki soğuk akış LES yaklaşımı ile incelenmiş ve sonuçlar her iki yakıcı arasında kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar neticesinde, küt cismin literatürle uyumlu bir şekilde iz bölgesinde büyük bir sirkülasyon bölgesi oluşturduğu görülmüştür. Küt cismin giriş borusu içerisinde oluşturduğu blokajın akıştaki girdap etkisini de bozmadığı tespit edilmiştir. İz bölgesindeki sirkülasyon bölgesi ve merkezi sirkülasyon bölgeleri iki ayrı alan olarak gözlemlenmiştir. Bu durumun akış kararlılığını artırıcı yönde etki ettiği tespit edilmiştir. Yanma odası içerisindeki karışım karakteristiği incelendiğinde ise, geliştirilen enjektör tasarımının yakıcı girişinde çok daha hızlı bir karışım sağladığı görülmüştür. Enjeksiyon tasarımı sayesinde, yakıtın ikincil jet vasıtasıyla gelen girdaplı akışa çok daha iyi nüfuz ettiği tespit edilmiştir. Küt cismin iz bölgesinde oluşan sirkülasyon alanı sayesinde de yakıcı girişine yakın bölgelerde daha homojen ve karışım verimi yüksek akış alanlarının oluştuğu belirlenmiştir. Özellikle bu bölgelerde karışım verimliliğinin %110 civarında arttığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen küt cisim ve girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanma odası tasarımının karışım verimliliği açısından oldukça etkili olduğu görülmektedir. Çalışmanın ilerleyen dönemlerinde geliştirilen yakıcının kimyasal tepkimeli analizlerinin gerçekleştirilmesi hedeflenerek alev karakteristiği ve kirletici salınımları açısından etkilerinin incelenmesi tavsiye edilmektedir.
Özet (Çeviri)
The growing world population leads to an increase in energy usage. Nowadays, the most important industrial energy source is the chemical energy stored in hydrocarbon fossil fuels and their processed derivatives. The use of fossil fuels in energy production and propulsion systems constitutes a large part of the pollutant gas emissions. Increasing atmospheric pollution and climate crisis necessitate the development of combustor systems that are more efficient and emit less pollutants. In order to reduce environmental pollution, premixed and partially premixed lean combustion are generally used in modern gas turbine systems. These types of burners can provide more efficient combustion and less polluting gas emissions. However, premixed combustors inherently have unstable characteristics that may hinder successful ignition or lead to the occurrence of flashback. In this context, partially premixed combustors have emerged as a safer and more reliable option in recent years. An important parameter in the design of partially premixed combustor systems is the mixing efficiency of fuel and oxidizer. Various methods are used to enhance the mixing and flame stability in partially premixed combustors. The two most well-known methods are the use of swirlers and bluff bodies. The design of fuel injection holes is also particularly important for mixing of fuel and oxidizer. Swirler creates a tangential velocity component, thereby increasing the mixing and creating re-circulation zones in the combustion chamber, which positively affect the flow stability. The bluff body forms circulation zones in the wake region, also increases the mixing and stability. These methods create complex and time-dependent turbulent flow in the combustion chamber. The investigation of the turbulent flow in combustors, and examination of the flow and flame dynamics are among the most important parameters in the design stage of these systems. Today's high-performance computers make it possible to carry out this research numerically. The large eddy simulation approach stands out as one of the most effective methods for examining the instantaneous and time-dependent flow behavior of these systems. Upon reviewing the literature, it is found that there are very few combustor designs that include both bluff body and swirler. In addition, partially premixed combustor designs that include these systems together are very limited. The main purpose of this thesis is to develop and analyze the mixing efficiency of a bluff body and swirl stabilized partially premixed combustor. To the best of the author's knowledge, the development of a bluff and swirl stabilized partially premixed combustor with radial injection is a first in the literature. It is expected that the outputs of this thesis will provide a general perspective for new burner designs to be developed in this field. Within the scope of these objectives, a piloted diffusion flame, Sandia Flame D, is firstly investigated using the LES approach and the OpenFOAM solver. Sandia Flame D is a well-documented experiment that is frequently used as a validation case and provides many data such as velocity, temperature, and species mass fractions. The LES approach and OpenFOAM capabilities are validated using this study. In the final part of this section, mixed and unmixed regions on the flame are determined and mixing dynamics inside the combustion chamber are acquired. Finally, it is observed that the formation of $CO$ reaches a maximum in the regions with insufficient mixing. In the second stage of the thesis, the non-reacting flow in a swirl stabilized partially premixed combustor is investigated with the LES approach. The swirler geometry is not included in the computational domain in order to decrease the CPU cost. Instead, two different numerical strategies are performed to give the swirling behavior to the flow field through the inlet boundary condition. Then, the results are compared with the experimental data. The results show that the swirling flow is successfully modeled with the inlet boundary condition. In addition, the flow characteristics inside the chamber are identified. In the last stage of the thesis, a new combustor design is developed by modifying the combustor examined in the previous section. Firstly, a conical bluff body is placed in the burner inlet. In addition, the fuel injection holes are redesigned to achieve more efficient mixing. The injectors are placed on the bluff body to inject the fuel in the radial direction from this location to the flow. The non-reacting flow in the bluff body and swirl stabilized partially premixed combustor is investigated with the LES approach and the results are compared between the two burners. It is seen that the bluff body creates a large re-circulation area in the wake region in accordance with the literature. The blockage created by the bluff body in the inlet does not disrupt the swirling effect of the flow. When the mixing characteristics in the combustion chamber are examined, the novel injector design provides a much faster mixing near the burner inlet. Also, more homogeneous zones are formed near the burner inlet as a result of the re-circulation in the wake region of the bluff body. In particular, it is revealed that the mixing efficiency increased by around 110% in these regions. In conclusion, the developed bluff body and swirl stabilized partially premixed combustor design is quite promising in terms of mixing efficiency. The reacting flow investigations of the novel combustor will be carried out and the effects of this design on flame characteristics and pollutant formations will be examined in future works.
Benzer Tezler
- Yeni bir yaklaşımla yük profillerinin oluşturulması ve dağıtım sistemlerinde teknik kayıpların tahmini
A novel approach for load profile formation and technical loss estimation of electrical disrtibution systems
GİZEM TULUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA
- An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue LED combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance
Termal, elektriksel ve optik performans için yag:ce fosfor ile birleştirilmiş sıvı soğutmalı mavi LED'in deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
CEREN CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- Kobalt kompleksleri üzerinden kimyasal yolla tersinir moleküler oksijen depolanması
Reversible chemical storage of molecular oxygen via cobalt complexes
AHMET İNCE
- Development of novel hybrid rocket internal ballistic configuration for in-space applications
Uzay uygulamaları için özgün hibrit roket iç balistik konfigürasyonu geliştirilmesi
MEHMET KAHRAMAN
Doktora
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Doğal dolaşımlı, kendinden depolu güneş toplayıcısının ısıl analizi
The Thermal analysis of a novel built-in-stroge solar water heater
İ.NECMİ KAPTAN