A cost effective rans approach to investigate swirl-stabilized partially premixed combustion
Girdaplayıcı içeren kısmi karışımlı yanmanın araştırılması ıçın uygun maliyetli bir rans yaklaşımı
- Tez No: 952305
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Günümüzde artan nüfus, sanayileşme ve buna bağlı olarak yükselen enerji talebi, enerji üretim sistemlerinin hem verimliliği hem de çevresel etkileri bakımından daha sürdürülebilir hale getirilmesini zorunlu kılmaktadır. Özellikle fosil yakıtların neden olduğu karbon emisyonları, küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi ciddi çevresel sorunların başlıca sebepleri arasında yer almaktadır. Bu nedenle düşük emisyonlu, yüksek verimli ve çevre dostu yanma sistemlerinin geliştirilmesi hem bilimsel hem de endüstriyel açıdan büyük önem taşımaktadır. Bu sebeple sistemlerde yanma verimini arttırmaya yönelik bileşenler kullanılmaktadır. Bu sistemlerden yaygın olarak kullanılanlardan biri de girdaplayıcı olarak bilinen ve gaz türbinlerinin yanma odalarında kullanılarak alev boyunu kısaltma, karışım oranını ve yanma verimini arttırmayı hedefleyen bileşenlerdir. Ancak bu sistemlerin ve bileşenlerin tasarımı ve optimize edilmesi, yüksek sıcaklık, türbülans ve karmaşık kimyasal reaksiyonların bir arada bulunduğu çok karmaşık akış yapıları nedeniyle oldukça zordur. Bu bağlamda, deneysel yöntemler yüksek doğruluk sunsa da, altyapı ve işletme maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle geniş ölçekli çalışmalarda sınırlı kalmaktadır. Son yıllarda hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yaklaşımları, enerji ve yanma teknolojilerinde etkin bir araç haline gelmiştir. Ancak yüksek çözünürlüklü simülasyon teknikleri (LES, DNS gibi) özellikle türbülans-yanma etkileşimlerinin detaylı modellenmesinde avantaj sunsa da, oldukça yüksek hesaplama maliyeti gerektirmektedir. Bu durum, pratik mühendislik uygulamaları için daha düşük maliyetli ve daha hızlı çözümler sunabilen düşük mertebeli modellere olan ilgiyi artırmıştır. Bu tez çalışması da tam olarak bu ihtiyaçtan yola çıkarak, düşük maliyetli RANS tabanlı bir yaklaşımın, swirl ile stabilize edilmiş kısmi karışımlı metan-hava alevlerinin modellenmesindeki yeterliliğini araştırmayı hedeflemektedir. Tez kapsamında, deneysel olarak daha önce detaylı şekilde incelenmiş bir girdaplayıcı ile stabilize edilmiş bir yanma odası hem reaktif olmayan (soğuk akış) hem de reaktif (yanmalı) koşullar altında incelenmiştir. Çalışma, tam 3 boyutlu model (full domain) ile oluşturulmuş geometriyi referans alarak başlamış ve ardından periyodik varsayımı altında bir kama yapılandırması ile periyodik sınır koşullarının uygulandığı bir model oluşturulmuştur. Her iki yapılandırma da Reynolds-Zaman Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) yaklaşımı kullanılarak çözülmüş, türbülans için k–$\omega$ SST modeli ve kimyasal reaksiyonlar için eddy dissipation concept (EDC) modeli tercih edilmiştir. Kimyasal mekanizma olarak ise, literatürde yaygın olarak kullanılan GRI 3.0 metan - hava yanma mekanizması ve yine literatürden elde edilen indirgenmiş metan - hava yanma mekanizması OpenFOAM'a entegre edilmiştir. Bu iki mekanizma birbirleri ile literatürde kapsamlı çalışmaları olan Sandia Flame D ile numerik olarak karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucu hesaplama maliyeti yüksek olan GRI-Mech 3.0 yerine, indirgenmiş bir metan-hava mekanizması kullanımına karar verilmiş, böylelikle zaman ve kaynak tasarrufu sağlanmıştır. Tezde kullanılan girdaplayıcı ile stabilize edilmiş alev konfigürasyonu, literatürde geniş şekilde çalışılmış olan ve birçok deneysel veri setine sahip bir sistemdir. Bu bağlamda, Stereo-PIV ve OH* chemiluminescence ölçümleri ile elde edilen akış ve alev yapılarının paylaşıldığı bir çalışma, sayısal modelin geçerliliğini test etmek için referans alınmıştır. Bu doğrulama adımı, sayısal modelin yalnızca sayısal olarak değil, fiziksel gerçeklik açısından da güvenilir olduğunu ortaya koymuştur. Yine bu doğrulama sürecinde kullanılan ağ yapısı (mesh) ve $y^+$ değerleri dikkatli şekilde belirlenmiş, özellikle sınır tabaka davranışı açısından kritik olan bölgelerde ortalama $y^+$ = 1 seviyesinde tutulmuştur. Bu durum, duvar yakınındaki gradyanların doğru şekilde modellenmesini sağlamış ve k–$\omega$ SST türbülans modelinin etkinliğini artırmıştır. Böylece hem merkezi geri akış bölgesi hem de kayma tabakaları gibi önemli akış bölgeleri doğru şekilde yakalanabilmiştir. Özellikle swirl çıkışına yakın bölgelerdeki hız profilleri, hem eksenel hem de açısal bileşenleriyle birlikte deneysel verilerle tutarlılık göstermiştir. Reaktif olmayan durumlarda yapılan analizler, akışkanın merkezi geri akış bölgesi , dış geri akış bölgesi ve kayma tabakaları gibi karakteristik yapılarını başarıyla ortaya koymuş, elde edilen sonuçlar deneysel verilerle oldukça yüksek uyum göstermiştir. Bu durum, düşük mertebeli RANS yaklaşımının soğuk akış koşullarında yeterli doğruluk sağlayabileceğini göstermektedir. Periyodik model, tam modele göre yaklaşık \%53 oranında daha düşük hesaplama maliyeti sunarken, özellikle girdaplayıcı çıkışına yakın bölgelerde akış yapısını başarılı şekilde temsil etmiştir. Ancak girdaplayıcı çıkışından uzaklaştıkça, azimutal yöndeki üç boyutlu türbülans yapılarının modellenmesinde sınırlı kaldığı, eksenel simetri varsayımı nedeniyle belirli kararsızlık modlarının bastırıldığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, periyodik sınır koşullarının bazı fiziksel yapıları baskıladığı da gözlemlenmiştir. Özellikle swirl ile oluşturulan azimutal yöndeki üç boyutlu kararsızlıklar periyodik modelde simetri zorlaması sebebiyle görülememiştir. Bu durum, alevin doğal olarak taşıdığı asimetrik davranışları temsil etmekte yetersiz kalmış ve tür dağılımlarında belirgin sapmalara yol açmıştır. Buna karşın, tam modelde bu yapılar daha doğal şekilde oluşmuş, örneğin $OH$, $CH_4$ ve $CO_2$ dağılımlarında asimetrik, gerçeğe daha yakın desenler gözlemlenmiştir. Ayrıca azimutal yöndeki sıcaklık dağılımı ve alev konumu gibi parametreler tam modelde daha doğru temsil edilmiştir. Periyodik modeldeki bu farklar soğuk akışta minimal farklara sebep olmasına rağmen yanma modellerinde reaksiyonların 3 boyutlu yapısının temsil edilememesinin eklenmesi ile artış göstermiştir. Fakat yine de alev şekli ve hız profilleri gibi temel özelliklerin gözlemlenmesine olanak sağlamıştır. Ayrıca periyodik model soğuk akışta hesaplama maliyetini yaklaşık olarak \%53, yanma modelinde ise yaklaşık olarak \%44 düşürmüştür. Bu sebeple periyodik model akış temel özellikleri, ateşleme stratejisi denemeleri ve yakıt karışım oranları gibi temel özelliklerin incelendiği ön tasarım aşamalarında kullanıma uygundur. Sonuç olarak, bu tezde gerçekleştirilen çalışmalar yalnızca sayısal çözüm tekniklerinin sınırlarını değerlendirmekle kalmamış, aynı zamanda düşük mertebeli yaklaşımların pratikte nerede ve nasıl kullanılabileceğine dair bir yol haritası sunmuştur. Reaktif olmayan durumlarda oldukça başarılı sonuçlar veren periyodik modelleme stratejisi, hesaplama maliyeti açısından büyük avantajlar sağlamakla birlikte, reaktif durumlarda fiziksel karmaşıklığın arttığı koşullarda daha dikkatli kullanılmalıdır. Bu nedenle, düşük hesaplama maliyetiyle elde edilen modellerin, özellikle üç boyutlu kararsızlıklar ve simetri kırılmaları gibi kritik fiziksel süreçlerde hangi doğruluk seviyesine kadar güvenilir olabileceği dikkatle analiz edilmelidir. Bu tezde önerilen yaklaşım, özellikle enerji alanında kullanılan girdaplayıcı ile stabilize edilmiş yanma sistemlerinin ilk tasarım ve optimizasyon aşamalarında uygun bir mühendislik aracı olarak değerlendirilebilir. Gelecek çalışmalar kapsamında, farklı swirl sayılarının ve eşdeğer oranların sistematik olarak değiştirilerek alev stabilizasyonundaki etkilerinin incelenmesi planlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
With the increasing global energy demand driven by population growth and industrialization, the environmental impacts of energy production systems have become more critical. In particular, carbon emissions from fossil fuel-based systems have contributed to severe environmental issues such as climate change. Therefore, developing more efficient and lower-emission combustion systems is of great importance. However, designing such systems is challenging due to the coexistence of high temperatures, turbulence, and complex chemical reactions. Although experimental methods offer high accuracy, their high cost and infrastructure requirements limit their applicability. As a result, numerical methods, especially computational fluid dynamics (CFD), have gained increasing attention in combustion research. Nevertheless, high-fidelity approaches such as Large Eddy Simulation (LES) or Direct Numerical Simulation (DNS) require significant computational resources. This highlights the importance of low-order models that can offer faster and more practical solutions. In this thesis, turbulent flow and flame behavior in a partially premixed, swirl-stabilized combustion chamber are investigated using numerical simulations performed with OpenFOAM. The study focuses on axisymmetric modeling to reduce computational cost. A full model configuration was initially developed and then simplified into a wedge-type periodic model using axial symmetry assumptions. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence modeling was employed together with the eddy dissipation concept (EDC) for combustion, and a reduced methane-air mechanism was used to model chemical reactions. Both non-reacting and reacting flow conditions were analyzed separately to evaluate the accuracy of the low-order axisymmetric model. Key outputs such as temperature distributions, chemical heat release rates, and species mass fractions were examined in detail. In the non-reacting case, both the full and periodic models produced results that were consistent with the experimental data. In particular, the full geometry showed good agreement in capturing the swirl jet and central recirculation zone structures. The velocity profiles obtained from the simulations indicated that both inner and outer shear layers were successfully predicted in both configurations. However, when three-dimensional flow structures were analyzed, it was observed that the periodic model tended to suppress these features further downstream from the swirl outlet. This suppression led to a relatively lower fuel mass fraction in the central recirculation zone for the periodic model compared to the full model. In the reacting flow simulations, the full and periodic models produced similar axial velocity profiles, both showing reasonable agreement with experimental data. However, both models failed to capture the secondary peaks observed in the tangential velocity profiles from the experiments. This limitation is attributed to the use of low-fidelity modeling. Furthermore, three-dimensional structures that developed in the full model could not be reproduced in the periodic configuration. As a result, combustion reactions and the formation of $OH$ radicals were observed closer to the swirl outlet in the periodic model. This caused the temperature values to be higher near the outlet and lower in the downstream region compared to the full model and experimental data. Overall, the periodic model provided results close to the full model and experimental data in the non-reacting case, while also offering a significant reduction in computational cost. In the reacting case, however, it showed limitations in accurately predicting flame properties. Despite this, its low computational cost made it advantageous for testing ignition strategies. Therefore, the periodic configuration can be considered a useful tool for preliminary design and parametric studies, especially when rapid assessment is prioritized over full physical accuracy.
Benzer Tezler
- 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
TUĞBA KARASU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Development of a lattice boltzmann based flow solver for large eddy simulation of turbulent flows
Türbülanslı akışların büyük girdap benzetimi için lattice boltzmann temelli akış çözücüsü geliştirilmesi
ALİHAN ATİLLA ÇINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Bıyokütle-kömür karısımlarının yanmasının incelenmesi
Investigation of co-firing coal and biomass blends
CANSU DENİZ CANAL
Doktora
Türkçe
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
PROF. DR. ALİ CEMAL BENİM
- Jet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of multiphase flow characteristics of jet engine fuel nozzles
MUSTAFA BAL
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUNÇ
- Cfd-based pı/pıd controller for velocıty and headıngcontrol of the darpa suboff
Had tabanlı PI/PID kontrol yaklaşımı ile darpa suboffdenizaltısının hız ve rota kontrolü
DUYGU ÜNLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAD DELEN