Ters akışlı yanma odasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları, yanma odası içerisindeki akışın fiziksel davranışlarını tespit etmekte ve yanma karakteristiğini tayin etmekte kolaylık sağlamaktadır. Simülasyon analizleri, deneysel çalışmalardan önce yanma odasının başlangıç tasarım kriterlerini belirlerken, zamana olan bağımlılığı ve deney sırasında karşılaşılabilecek sorunlardan kaynaklanacak deneme-yanılma masraflarını azaltmak için gereklidir. Bu tezde, yanma odasının ön tasarımı sırasında halkasal yanma odasının nominal çalışma şartları belirlenmiştir. Yanma odası 1000 HP gücünde bir turboşaft motora uygun olarak tasarlanmıştır. Bu tip motorlarda yer kısıtlı ve ağırlık kritik olduğundan ters akışlı yanma odaları tercih edilir. Ters akışlı yanma odası tam halkasal tipte olacak şekilde tasarlanmıştır. Halkasal yanma odasının diğer yanma odası tiplerine göre önemli tasarım avantajları mevcuttur. Bunlardan bazıları; yanma odasının boyutunun kısaltılması, dolayısıyla yer ve ağrılıktan tasarruf edilmesi, alev stabilitesinin diğer tiplere göre daha iyi oluşu ve emisyonlar diğer tiplere göre daha düşük olmasıdır. Halkasal yanma odası için teğetsel tipte 13 adet girdap vanesi kullanılmıştır. Bu yanma odası tasarım kıstasları temel alınarak deneysel çalışmalarda kolaylık sağlanması amacı ile düzlemsel bir yanma odası test düzeneği tasarlanmıştır. Test düzeneği orijinal yanma odasının 3/13'lük bir bölümü esas alınarak tasarlanmıştır. Düzlemsel yanma odasının tasarlanmasının avantajı; deneysel çalışmalar sırasında yanma odasının belli bölgelerine optik erişim kolaylılığı sağlamaktır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) çalışmaları için kullanılacak çözüm hacmi ise test düzeneği için hazırlanmış düzlemsel yanma odası geometrisi temel alınarak oluşturulmuştur. Çözüm hacmi, orijinal yanma odası geometrisinin 1/13'lük kısmıdır. Bu sayısal çalışmalarda çıkan sonuçlar daha sonradan deneysel veriler ile karşılaştırılacaktır. Hesaplamalarda kullanılan sonlu hacim ağı oluşturulur iken düzlemsel geometriye uygun çözüm hacim kullanılmıştır. Sonlu hacim ağı oluşturulurken, yanma odasının geometrik uzunluk değerleri, hiçbir boyutlandırma faktörü olmadan gerçek değerlerinde kullanılmıştır. Sonlu hacim ağı yapısının simülasyon sonuçları üzerindeki etkisinin azaltılması için farklı derecedeki incelik değerlerinde tekrarlanarak, en uygun sonlu hacim ağı elde edilmiştir. 3 boyutlu sonlu hacim ağı için ilk olarak yaklaşık 50 milyon elemanlık bir dörtyüzlü yapı oluşturuldu. Ardından, hesaplama zamanının kısaltılması amacı ile oluşturulan bu yapı eleman kalitesi bozulmayacak şekilde ANSYS Fluent programı kullanılarak yaklaşık olarak 10 milyon elemanlık bir çokyüzlü yapıya dönüştürüldü. Gaz türbini motorlarında sıvı yakıtlar kullanılır. Sıvı yakıt yanma odasına enjektörler yardımıyla püskürtülerek yüzey hacmi artırılır, böylece sıvı yakıtın buharlaşması kolaylaştırılır. Ters akışlı yanma odasındaki sprey yanma modeli için gerçekleştirilen sayısal çalışmalarda hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanıldı. Sayısal çalışmalar, iki adet tepkimeli akış durumu ve bir adet tepkimesiz (soğuk) akışda sıvı yakıt enjeksiyon çalışmasını kapsamaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları, tepkimeli akış ve tepkimesiz akış çalışmalarının tümünün çözdürülmesi sebebi ile 3 boyutlu kararlı-hal durumunda FLUENT v.14 yazılımı kullanılmıştır. ANSYS FLUENT programı, hızlı, pratik ve kullanım alanı geniş bir paket programı olduğu için birçok alanda ki hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarında tercih edilmektedir. Tüm simülasyonlarda, Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) ve Gerçeklenir (Realizable) k-ϵ türbülans modeli uygulanmıştır. Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes modeli, diğer türbülanslı akış modellerine göre çözüm zamanı açısında daha hızlı bir yöntem olduğu için bu çalışmada kullanıldı. Ayrıca, bu yöntem sanayide geniş bir çalışma yelpazesinde tercih edilmekte ve simülasyon sonuçları pratik bir şekilde elde edilebilmektedir. Diğer taraftan kullanılan türbülans modeli düşünüldüğünde, k-ϵ türbülans modeli, gaz türbini hesaplamaları için literatür araştırılarak seçilmiş ve türbülans modelleri içerisinde en çok kullanılan bir modeldir. Gerçeklenir k-ϵ türbülans modeli ise standart modelden geliştirilerek oluşturulmuş bir modeldir. Modeller için literatür araştırmaları tez çalışması kapsamında yapılmış ve tez içeriğinde detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Yanma modelinin simule edilmesi için kullanılan ilk yaklaşım, her tür için taşınım denklemlerinin ayrı ayrı çözülmesi prensibine dayanıyor. Yanma, "belirli oranda kimyasallar modeli" (finite rate chemistry) ile simule edildi ve heptan (C7H16) yakıtı için tek basamaklı reaksiyon mekanizması kullanıldı. Türbülans-Alev etkileşimini modellemek için Girdap-enerji yitimi kavramı (Eddy-Dissipation Concept - EDC) kullanıldı. Girdap-enerji yitimi kavramı, türbülans ve alevin kimyası arasındaki etkileşim kavramında, türbülanslı girdapların enerji yitimi şeklinde detaylı olarak tanımlanabilinir. Yanma modelinin simule edilmesinde kullanılan ikinci yaklaşım, kararlı yayılan alevcik yanma modeli (steady diffusion flamelet combustion model) ile birlikte türbülans-alev etkileşimi için Olasılık Yoğunluğu Fonksiyonu (OYF) (Probability Density Function (PDF)) kullanılmıştır. Bu yanma modeli ile, adiyabatik türbülanslı alevin termokimyasal özellikleri, stokiyometrik değerde karışım kesri ve sayısal enerji yitimi oranı kullanılarak belirtilir. β-OYF (Olasılık Yoğunluğu Fonksiyonu) metodu, türbülanslı yanma için aramalı tabloları oluşturmak için kullanıldı. Tablolar oluşturulurken kimyasal reaksiyonların çözümü için, California San Diego Üniversitesinin türettiği, heptan (C7H16) yakıtı mekanizması kullanıldı ve mekanizma 58 tür ve 325 reaksiyondan oluşmaktadır. Sprey yanmanın endüstri içerisinde çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır. Gaz türbini yanma odasındaki sıvı yakıt yanması için, basınçlı girdap püskürteci (pressure swirl atomizer), püskürteçler arasında en güvenilir ve en ucuz maliyetli olanıdır ve bu çalışmada bu çeşit püskürteç modeli kullanılmıştır. Püskürteç sistemi tasarlanırken ve seçilirken gölge ölçümü (shadowgraphy) deneyleri yapılmış ve sınır şartları belirlenmiştir. Püskürteç sistemi, yakıtı nozüllerde hızlandırarak merkezi dönüş kanalına iletir. Dönen sıvı yakıt dönüş kanalının duvarlarına çarparak içi hava dolu bir koni oluşturur. Bu yapı orifisten kararsız ince bir film olarak çıkar ve halka ve damlacık şeklinde parçalanır. Film oluşumu ve parçalanması Doğrusallaştırılmış Kararsız Film Parçalanması (Linearized Instability Sheet Atomization - LISA) modeli ile temsil edilmiştir. Bu model film oluşumu ve parçalanma, ve atomizasyon olmak üzere iki adımdan oluşur. İkincil parçalanma mekanizması için Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor (KHRT) modeli açıklanacaktır. Yanma karakteristiği, akış karakteristiği, ve sıvı yakıt püskürtme modeli, bu çalışma kapsamında araştırılacak ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak gösterilecek. İki farklı yanma modeli ile elde edilmiş sonuçların karşılaştırılması sonuç bölümünde yorumlanacak ve değerlendirilecek. Bu yüksek lisans tezi, çalışma süresince kullanılan tüm model, yöntem ve yaklaşımları detaylı bir şekilde içermektedir.