Investigating the effects of hydrogen enrichment in a partially premixed methane-air flame
Kısmi karışımlı metan-hava alevinde hidrojen zenginleştirmesinin etkilerinin incelenmesi
- Tez No: 961130
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 63
Özet
Modern çağda hızla artan enerji gereksinimi, çevre kirliliği ve enerji kaynaklarının tükenmesi gibi önemli zorlukları da beraberinde getirmektedir. Bu durum, mevcut enerji üretim yöntemlerinin yeniden değerlendirilmesini ve sürdürülebilir alternatiflerin keşfedilmesini gerektirmektedir. Alternatifler arasında hidrojen önemli bir enerji kaynağı olarak öne çıkmakta ve günümüzdeki araştırma girişimlerinin merkezinde yer almaktadır. Hidrokarbon bazlı yakıtların, çevreye olumsuz etkileri ve kaynakların sınırlı olması nedeniyle havacılık sektöründe hidrojen kullanımına yönelik ilgi giderek artmaktadır. Uçak tahrik sistemlerinde hidrojenin kullanım potansiyeli, özellikle çevresel sürdürülebilirlik ve sistem verimliliği açısından sağladığı avantajlar nedeniyle önemli bir araştırma konusu haline gelmektedir. Hidrojenin geniş yanma aralığı, yüksek enerji yoğunluğu ve yüksek laminer alev hızı, onu yeni nesil uçak tahrik sistemlerinin verimlilik ve itki performansını artırmak için son derece cazip bir yakıt haline getirmektedir. Yakıt-hava karışım oranlarının geniş bir aralığında yanabilmesi, motor tasarımında esneklik sağlamaktadır. Ayrıca yüksek alev hızı yanmanın kararlı kalmasına katkı sağlamaktadır, böylece termal verimlilik artmakta ve emisyonlar azalmaktadır. En önemlisi, hidrojenin yanması sonucu yalnızca su buharı açığa çıkmakta bu da onu sıfır karbonlu bir yakıt yapmaktadır. Bu özellik küresel havacılık emisyon hedeflerini karşılamak açısından kritik önem taşımaktadır. Bu avantajlar göz önünde bulundurulduğunda hidrojenin, hidrokarbon bazlı motorlara entegrasyonunu optimize etmek amacıyla deneysel ve sayısal araştırmalar büyük önem arz etmektedir. Bu kapsamda yakıt depolama alev kararlılığı ve NOx oluşumu gibi zorlukların ele alınması gerekmektedir. Gaz türbinleri, elektrik üretimi için enerji santrallerinde ve itki sağlamak için havacılıkta yaygın olarak kullanılmakta ve genellikle hidrokarbon yakıtlarla çalıştırılmaktadır. Aktüel bilimsel çalışmalar bu tür motorlarda kısmi karışımlı (partially premixed) yanma yönteminin daha yüksek verimlilik ve daha düşük emisyon sağlayabileceğini ortaya koymaktadır. Bu yöntemde yakıt yanma odasına girmeden hemen önce sınırlı miktarda hava ile karıştırılmakta ve bu durum hem verimliliği artırmakta hem de emisyonların kontrolüne katkı sağlamaktadır. Bu teknik yakıt kullanımını optimize etmekte ve kirletici madde seviyelerini azaltmaya yardımcı olmaktadır. Tahrik sistemi tasarımında deneysel çalışmalarla birlikte sayısal simülasyonların da önemi, artan hesaplama gücüyle birlikte giderek artmaktadır. Günümüzde hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemleri havacılık tahrik sistemlerini analiz etmekte etkili araçlar olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemler yüksek maliyetleri azaltmakta ve deneysel testlerin getirdiği güvenlik risklerinden kaçınmayı sağlamaktadır. Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS), büyük girdap benzetimi (LES) ve doğrudan sayısal simülasyon (DNS) gibi CFD yaklaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak DNS çok yüksek hesaplama gücü ve hafıza gerektirdiğinden büyük yanma uygulamaları için pratik değildir. Bu nedenle hesaplama doğruluğu ile hesaplama maaliyeti arasında denge sağlayan RANS ve LES yöntemleri yaygın şekilde kullanılmaktadır. Özellikle LES daha ayrıntılı ve geniş ölçekli bilgiler sunmaktadır. Geleneksel hidrokarbon yakıtların hidrojenle zenginleştirilmesi, yanma verimliliğini artırma ve emisyonları azaltma potansiyeli nedeniyle önemli bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmaktadır. Mevcut literatür incelendiğinde geçmiş çalışmaların çoğunluğunun ön karışımlı (premixed) ve karışmamış (non-premixed) yanma konfigürasyonlarına odaklandığı görülmektedir. Buna karşılık kısmi karışımlı yakıcılar, özellikle hidrojenle zenginleştirilmiş yakıt karışımları bağlamında, keşfedilmeyi bekleyen yeni bir araştırma alanı olarak dikkat çekmektedir. Bu sistemlerdeki yanma davranışı doğası gereği karmaşıktır çünkü türbülanslı akış ve kimyasal kinetik arasındaki karmaşık etkileşimleri içermektedir. Havacılıkta kullanılan motorlar ve endüstriyel gaz türbinleri açısından pratik önemi olmasına rağmen hidrojen katkısının kısmi karışımlı ortamlarda alev yapısı ve akış alanı üzerindeki etkilerini anlamaya yönelik araştırmalar sınırlı kalmaktadır. Bu eksiklik hidrojenin alev tutunması, emisyon ve yanma odası performansı üzerindeki etkilerini açıklamak amacıyla detaylı deneysel ve hesaplamalı çalışmalara ihtiyaç olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması, kısmi karışımlı bir metan-hava alevinin sayısal analizini gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır. Alev dinamiğini derinlemesine anlamak için deneysel bir yanma odası geometrisi kullanılmakta ve bu hesaplama modeli doğrulanmaktadır. Ayrıca metan yakıtı hidrojen ile zenginleştirilerek hidrojen katkısının alevinin alev dinamikleri, akış dinamiği ve karbon emisyonları gibi konularda etkisi incelenmektedir. Tezin ilk bölümünde girdaplayacı içeren kısmi karışımlı bir yanma odasında metan-hava alevini simüle etmek için bir hesaplama modeli oluşturulmaktadır. Açık kaynaklı akış çözücüsü olan OpenFOAM kullanılmaktadır. Büyük girdap benzetimi (LES) yöntemi ve türbülans-kimya etkileşimlerini gözlemlemek amacıyla kısmi karışmış reaktör (PaSR) yanma modeli kullanılmaktadır. Ayrıntılı kimyasal tepkimeler için GRI-Mech 3.0 mekanizmasının basitleştirilmiş bir varyasyonu kullanılmaktadır. Alevden uzak bölgelerdeki emisyon özelliklerini gözlemlemek için P1 radyasyon modeli sisteme entegre edilmiştir. Simülasyonlar, yanma odasının iç akış alanı ve metan-hava alevinin dinamikleri hakkında detaylı bilgiler sunmaktadır. Merkezi resirkülasyon bölgesi (central recirculation zone) ve kesme tabakaları (shear layers) başarıyla yakalanmaktadır. Ortalama hız ve sıcaklık alanlarının karşılaştırılması hesaplama modelinden elde edilen sonuçların deneysel çalışmalarla doğrulandığını göstermektedir. Alev, sıcaklık dalgalanmaları ve ısı transferi verileri kullanılarak incelenmektedir. Tepkime bölgesinin konumu ısı transferi oranı ve sıcaklık dalgalanmaları analiz edilmekte ve bu konum deneysel gözlemlerden elde edilen hidroksil kimyasal ışıması kayıtları ile karşılaştırılmaktadır. Bu karşılaştırma, hesaplama modelinin metan-hava alevinin tepkime bölgesini doğru şekilde simüle ettiğini göstermektedir. Son olarak karbon monoksit ve karbondioksit gibi türlerin oluşumu incelenmektedir. Tezin son bölümünde metan-hava alevine hidrojen katkısı incelenmektedir. Yakıt bileşimi %100 metandan hacimsel olarak %40 hidrojen ve %60 metan karışımına dönüştürülmektedir. Hidrojen katkısı kesme tabakalarının ve resirkülasyon bölgesinin konumu gibi akış alanı özelliklerini belirgin ölçüde değiştirmemektedir. Ancak alev dinamiklerinde; özellikle sıcaklık dağılım,ı tür oluşumu ve alevin konumu gibi parametrelerde belirgin değişiklikler gözlenmektedir. Küresel denklik oranının (equivalence ratio) oksiyen-zengin tarafa kayması alev şeklinin M şeklinden V şekline dönüşmesine yol açmaktadır. Alevin tutunma yüksekliği azalmakta, alevin uzunluğu artmaktadır. Bu durum hidrojen katkısının alev hızı ve tutunma pozisyonu üzerindeki etkisini göstermektedir. Ayrıca denklik oranının kayması ve yanma verimliliğinin artması nedeniyle karbon monoksit oluşumu azalmaktadır. Karbondioksit oluşumu da düşmektedir. Ancak yakıt debisinde önemli bir azalma yaşandığı için hidrojen katkılı yanma odasının enerji çıktısı, 100% metan alevine kıyısla, azalmaktadır. Bu tez çalışmasının bulguları, hidrojen katkısının yanma verimliliğini artırdığını ve karbon bazlı gazların emisyonlarını azalttığını doğrulamaktadır. Gelecek çalışmalar için hidrojenle zenginleştirilmiş metanın farklı denklik oranlarının alev ve akış yapıları üzerindeki etkisinin daha ayrıntılı incelenmesi önerilmektedir. Ayrıca NOx oluşum davranışının daha derinlemesine araştırılması da faydalı olmaktadır. Bu çalışmalar hidrojenin enerji potansiyelini daha iyi anlamamıza katkı sağlamakta ve daha temiz daha verimli yanma sistemlerinin geliştirilmesini desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
In the modern era, the rapidly growing demand for energy brings major challenges such as environmental pollution and the depletion of energy resources. This crucial situation requires a reconsideration of existing energy generation methods and a push toward discovering sustainable alternatives. Among the prominent alternatives, hydrogen has emerged as a key energy source and spearheads the current research initiatives. Due to the environmental drawbacks and finite nature of hydrocarbon-based fuels, there is a rising interest in implementing hydrogen in the aviation industry. The potential for hydrogen use in aircraft propulsion systems has become a significant topic of research, primarily due to its benefits in environmental sustainability and system efficiency. Hydrogen's wide flammability range, high energy density, and high laminar flame speed make it a highly attractive fuel for enhancing the efficiency and thrust performance of next-generation aircraft propulsion systems. Its ability to combust over a wide range of fuel–air mixtures allows for flexible engine design, while its fast flame speed contributes to stabilize the combustion even under lean-burn conditions, like ammonia combustion, thereby improving thermal efficiency and reducing emissions. Crucially, hydrogen produces only water vapor when combusted, making it a zero-carbon fuel which is an essential characteristic for meeting stringent global aviation emission targets. Given these advantages, experimental and numerical investigations are essential to optimize hydrogen's integration into hydrocarbon based engines. Research efforts must address challenges such as fuel storage, flame stability, and NOx formation to safely accommodate hydrogen's unique combustion properties. Gas turbines are a commonly used engine type in power plants for electricity generation and aviation for thrusting the aircraft which are typically powered by hydrocarbon fuels. Recent scientific studies have highlighted that partially premixed combustion methods can yield higher efficiency and reduced emissions in these types of engines. In this method, a limited quantity of air is premixed with fuel just before entering the combustion chamber, resulting better efficiency and emission control. The technique facilitates improved fuel use and helps lower pollutant levels. In propulsion system design, the significance of numerical simulations has grown alongside experimental studies, particularly due to the increasing availability of computational power. Today, computational fluid dynamics (CFD) methods serve as effective tools in analyzing aviation propulsion systems, as they mitigate the high costs and avoid the safety concerns associated with experimental testing. CFD approaches such as Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulation (LES), and direct numerical simulation (DNS) are commonly employed. However, because DNS demands excessive computational resources and memory, it remains impractical for large combustion applications. Therefore, RANS and LES are widely adopted for their balance between accuracy and computational feasibility, with LES offering more detailed and large-scale insights. The enrichment of conventional hydrocarbon fuels with hydrogen has emerged as a prominent research area due to its potential to enhance combustion efficiency and reduce emissions. A survey of existing literature reveals that the majority of past investigations have concentrated on premixed and non-premixed combustion configurations, where the dynamics of hydrogen addition are relatively well-characterized. In contrast, partially premixed combustors remain a new area to explore, particularly with regard to hydrogen-enriched fuel blends. The combustion behavior in such systems is inherently complex, involving intricate interactions between turbulent mixing and chemical kinetics. Despite its practical relevance in aero-engines and industrial gas turbines, limited research has been dedicated to understanding how hydrogen supplementation alters the flame structure, ignition characteristics, heat release zones, and flow field patterns in partially premixed environments. This gap highlights the need for detailed experimental and computational studies to elucidate the influence of hydrogen on flame anchoring, pollutant formation, and overall combustor performance in these transitional combustion modes. This thesis aims to carry out numerical analyses of a partially premixed methane-air flame. The deepen our understanding of the flame dynamics using an experimental combustor geometry to validate our basis. Moreover, by enriching the methane fuel with hydrogen, this research aims to contribute to literature by comparing key parameters such as flame characteristics, flow dynamics, flame stability, and carbon emissions of partially premixed methane-air flame under hydrogen enrichment. In the first part of the thesis, a computational framework is established to simulate the methane-air flame in a swirl-stabilized partially premixed combustor. The open-source flow solver OpenFOAM is used. The large eddy simulations approach with Smagorinsky subgrid scale model is employed. The partially stirred reactor (PaSR) combustion model is utilized to observe the turbulence-chemistry interactions. For detailed chemistry, a reduced GRI-Mech 3.0 mechanism is utilized to get accurate species formation. P1 radiation model is added into the framework to observe the formation of species for emission characteristics away from the flame. The simulations yield detailed insights into the combustor's internal flow and the dynamics of the methane-air flame. The central recirculation zone and the shear layers are successfully captured. The comparison of mean velocity and temperature fields validated the results from the framework with the experimental study. The flame front is investigated using temperature fluctuations and heat release rates. The heat release rate, and temperature fluctuations are analyzed to determine the position of the reaction zone, and it is compared with the hydroxyl chemiluminescence recordings obtained from experimental observations. This comparison showed that the computational framework accurately simulated the reaction zone of the methane-air flame. Lastly, the formation of species such as carbon monoxide and carbon dioxide is investigated. In the final part of the thesis, the hydrogen enrichment to methane-air flame is investigated by changing the fuel composition from 100% methane to volumetrically 40% hydrogen and 60% methane. The hydrogen enrichment did not alter the flow field features such as position of the shear layers, and recirculation zone primarily. However, significant changes are observed in the flame dynamics specifically the temperature distribution, formation of the species, and the position of the flame. The shift of global equivalence ratio to leaner end altered the flame shape from an M-shaped flame to a V-shaped flame. The lift-off height of the flame is decreased and the length of the flame is increased showcasing the effect of the hydrogen enrichment on the flame speed and the anchoring position of the flame. Furthermore, the carbon-monoxide formation is reduced due to the shift of equivalence ratio and the increase in combustion efficiency, and the carbon-dioxide formation is reduced. The energy output of the hydrogen enriched combustor is decreased primarily due to the significant decrease in the fuel mass flow rate compared. The findings of this thesis confirm that hydrogen enrichment improves combustion efficiency and reduces emissions of carbon-based gases. For future work, further analysis of the impact of varying equivalence ratios for hydrogen enriched methane on both flow and flame structures is recommended. Additionally, a deeper exploration of NOx formation behavior would be beneficial. These efforts would advance understanding of hydrogen's potential in energy conversion and support the development of cleaner and more efficient combustion systems.
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
- Investigation of the effects of alternative fuel use on performance and emissions in a compression ignition (CI) diesel engine
Sıkıştırmalı ateşlemeli bir dizel motorda alternatif yakıt kullanımının performans ve emisyon değerleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
FERHAT EKİN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Saray (Tekirdağ) ve Pınarhisar (Kırklareli) kömürlerinin sülfür ve iz element içeriğinin kökeni ve kömürlerin çevresel etkisinin hidrojeokimyasal açıdan değerlendirilmesi
The origin of the sulfur and trace elements of the Saray (Tekirdağ) and Pinarhisar (Kirklareli) coals and evaluation of environmental effects on hydrogeochemistry
CEMİLE ERARSLAN
Doktora
Türkçe
2018
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜKSEL ÖRGÜN TUTAY
- HCNG yakıtlı benzin motorunda fraktal yanma modeli ile simülasyon ve parametrik optimizasyon çalışması
Simulation and parametric optimization study with fractal combustion model in HCNG fuelled gasoline engine
EREN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER TOLGA ÇALIK