Direct numerical simulation of evaporation and burning of a fuel droplet

Sıvı-gaz çok fazlı akışkan sisteminde sıvı damlacığın buharlaşması ve yanmasının doğrudan simülasyonu için yeni bir ara-yüz izleme yöntemi geliştirildi. Akış, enerji ve bileşenlerin kütle korunum denklemleri tek-alan formülasyonu ve uygun ara-yüz sınır koşulları kullanılarak çözüldü. Bu çalışmada hem sıvı hem de gaz fazlarının sıkıştırılamaz olduğu varsayıldı. Bununla birlikte faz değişimi olmayan sıkıştırılamaz akışlar için geçerli olan hız alanının divarjansının sıfır olması prensibi faz değişimini hesaba katmak amacıyla ara-yüzeyde modifiye edildi. Sıcaklık ve konsantrasyon gradyantı kaynaklı damlacık buharlaşması için sayısal yöntem geliştirildi ve simülasyonlar yapıldı. Konsantrasyon gradyantı nedeniyle oluşan faz değişiminde, ara-yüzeydeki buhar kütle akısının hesaplanmasında Clausius-Clapeyron denge kanunundan yararlanıldı. Sayısal yöntemin doğrulanması için çok sayıda test problemi kullanıldı. Bu amaçla Stefan ve emme ara-yüz problemleri, d2-kanunu ve ıslak termometre problemleri için hesaplamalar yapıldı ve sonuçlar analitik çözümlerle karşılaştırıldı. Sayısal yöntem daha sonra yerçekimi ile düşmekte olan ve bu esnada önemli ölçüde deformasyona uğrayan ve etkileşen tekil ve ikili damlacıkların buharlaşması problemlerine uygulandı. Sayısal yöntemin çözüm ağı yakınsamasının olduğu ve toplam kütlenin korunumu prensibinin sayısal çözüm seviyesinde sağlandığı gösterildi. Sıcaklık gradyantına dayalı faz değişimi modeli daha sonra aksi-simetrik problemlere uyarlandı ve çok sayıda doğrulama testi yapıldı. Buna ilave olarak, sayısal yöntem damlacık buharlaşmasını takip eden yanma prosesini de içerecek şekilde genelleştirildi. Bu sayede sprey yanmasının doğrudan simülasyonu için geliştirilmekte olan sayısal yönteme doğru ilk adım atılmış oldu. Kimyasal kinetik denklemlerin etkin çözümü için CHEMKIN paketi sayısal yönteme entegre edildi. Kimyasal kinetik denklemlerinin akış denklemleriyle birlikte çözülmesinde operatör-ayrıştırma yöntemi kullanıldı. Sayısal yöntem tek-adımlı çok basit bir kimyasal kinetik modeli yanında indirgenmiş detaylı kimyasal kinetik modeli de kullanılarak n-heptan damlacığının buharlaşması ve yanmasına başarıyla uygulandı. Elde edilen sonuçlar deneysel veriler ve literatürdeki önceki sayısal çalışmalarla karşılaştırıldı. Mevcut sonuçların damlacık yanma oranı, alev sıcaklığı, alev durma oranı ve tutuşma gecikme zamanı açısından deneysel veriler ve önceki sayısal çözümlerle uyumlu olduğu gösterildi.