1000-HP sınıfı bir turboşaft motorun ters akışlı yanma odasının reaktör ağları ile modellenmesi

Türbülans ve yanma, bilim adamları ve mühendisler için çözülmesi çok zor iki fenomen olarak uzun zamandır üzerinde çalışılan konulardır. 150 yılı aşkın süredir kullanılan fosil yakıtlı sistemlerin hepsinde bu iki fenomen en önemli rolü oynamaktadır. Son yıllarda hızla gelişen bilgisayar teknolojisi sayesinde, türbülanslı yanma akış problemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları ile çözümlenmesi ve akışkanın davranışı ve sıcaklığı gibi fiziksel sonuçlar ile beraber tepkime sonucu ortaya çıkan ana kimyasal türlerin de yüksek doğrulukta öngörülebilmesi mümkün hale gelmiştir. Fakat yanma sırasında açığa çıkan NOx ve CO gibi küçük kimyasal türlerin aynı yöntemler ile hesaplanabilmesi günümüz koşullarında oldukça zor ve zaman alıcı bir işlemdir. Diğer taraftan, çevresel etmenler ve yasal sınırlandırmalar sebebiyle, gaz türbinli motorlar gibi fosil yakıt kullanan sistemlerin üretmiş olduğu NO x ve CO gibi kirletici gazların azaltılmasına yönelik geliştirme çalışmaları bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu çalışmaların, üretimden önce yapılan kavramsal ve detaylı tasarım süreçlerinde gerçekleştirilmesi, projelerin zaman ve maliyetlerinin azaltılması açısından oldukça önemlidir. Bu sebeple, bu tip kirleticilerin tasarım aşamasında tahmin edilebilmesi oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında, tasarım sürecinde olan 1000 beygir gücüne haiz bir turbo şaft helikopter motorunun ters akışlı yanma odasına ait emisyonların tahmin edilmesine yönelik, literatürdeki yöntemlerden farklı yeni bir yöntem geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Bu yöntem sırasıyla, (1) yanma odasının 1/13'lük bölümü için FLUENT v.14 yazılımı ile üç boyutlu, tepkimeli ve iki fazlı akışkanlar dinamiği simülasyonu yapılması ve her bir çözüm noktasındaki sıcaklık de geri ve hız vektörlerinin elde edilmesi, (2) üç boyutlu HAD sonuçlarının iki buçuk (2.5 B) boyut yöntemi ile iki boyutlu düzleme aktarılması, (3) MATLAB yazılımı yardımı ile iki boyutlu düzlem üzerinde sıcaklık değerlerine bağlı kalarak kimyasal reaktör ağı modellenmesi (4) CHEMKIN yazılımı ile kimyasal reaktör a g modelinin n-heptan yakıt mekanizması ile çözdürülmesi ve emisyon sonuçlarının elde edilmesini içermektedir. Bu yöntem sayesinde, HAD simülasyonu ile sıcaklık ve kütle akış değerleri elde edilmekte ve bu değer kullanılarak kimyasal reaktör ağ modeli oluşturulmaktadır. Bu sayede karmaşık kimyasal mekanizmalar ve hesaplanması zor olan küçük kimyasal türler hassas ve hızlı bir şekilde elde edilebilmektedir. Yanma reaksiyonu sonucunda oluşan NOx ve CO miktarını etkileyen en önemli parametre olan sıcaklık, bu çalışmadaki kimyasal reaktör hacimlerinin oluşturulma aşamasında da belirleyici olmaktadır. Önceki benzer çalışmaların çoğu eksenel simetrik ve basit geometrili tüp şeklindeki yanma odaları için yapılmıştır. Dolayısıyla, xxiii enjektör merkezinden geçen 2 boyutlu düzlem için yapılan HAD simülasyonları ve bu simülasyon sonuçlarından kimyasal reaktör ağı oluşturmak bu çalışmadaki geometriye göre daha kolay olmaktadır. Bu çalışmadaki geometri ise bir çember üzerine eşit aralıklar ile dizilmiş 13 adet yakıt enjektöründen oluşan halkasal tipte (annular) bir yanma odasıdır. HAD simülasyonu için hesaplama zamanını ve iş yükünü azaltmak amacıyla, yanma odasının 1/13'lük tek bir enjektör içeren hacim kullanılmıştır. Hesaplamalarda kullanılan 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 oluşturulmuştur. 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 dönüştürülmüştür. Tüm simülasyonlarda, Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) ve Gerçeklenir (Realizable) k-ε türbülans modeli uygulanmıştır. Yanma modeli, "belirli oranda kimyasallar modeli" (finite rate chemistry) ile simule edilmiş ve heptan (C7H16) yakıtı için tek basamaklı reaksiyon mekanizması kullanılmıştır. Türbülans-Alev etkileşimini modellemek için Girdap-enerji yitimi kavramı (Eddy-Dissipation Concept - EDC) kullanılmıştır. Girdap-enerji yitimi kavramı, türbülans ve alevin kimyası arasındaki etkileşim kavramında, türbülanslı girdapların enerji yitimi şeklinde detaylı olarak tanımlanabilinir. Gerçekleştirilen üç boyutlu HAD sonuçları üzerinden, önceki çalışmalarda yapılan yöntemler kullanılarak reaktör ağı modeli oluşturmak, bu çalışmadaki geometri için oldukça zor, karmaşık ve uzun süreç almaktadır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için görüntü işleme çalışmalarında kullanılan 2.5 boyut yaklaşımından faydalanılmıştır. Bu yöntemde üç boyutlu hacim üzerinden ve yanma odasının genişliği boyunca eşit aralıklarla dokuz adet kesit alınmış ve bu kesitlerdeki her bir hesaplama noktasındaki hız vektörleri, sıcaklık ve yoğunluk parametrelerini içeren HAD sonuçlarının ortalaması bir adet iki boyutlu düzleme aktarılmış ve kimyasal reaktör ağ modeli bu düzlem üzerinde oluşturulmuştur. Bu işlemde, alınan dokuz kesit üzerindeki çözüm noktaları yanma odası genişliği boyunca farklı koordinatlarda olduğundan, her bir kesitteki çözüm parametreleri "Ters-Uzaklık ˙Interpolasyonu (Inverse Distance Interpolation)" metodu ile ve Tecplot yazılımı yardımı ile yeni oluşturulmuş düzenli bir ağ yapısına aktarılmıştır. Ortalama alma işlemi yeni oluşturulmuş bu ağ yapısına sahip kesitler ile MATLAB yazılımı kullanarak yapılmıştır. Reaktör hacimlerinin ve hacimler arasındaki kütle geçişlerinin kolay bir şekilde belirlenmesinde kullanılacak MATLAB tabanlı bir araç geliştirilmiştir. Bu araç sayesinde, yanma odasının üç farklı çalışma koşulu için (rölanti, seyir, kalkış) kimyasal reaktör ağı modellenmiştir. Reaktör modellemesinde "Tam Karışımlı Reaktörler (Perfectly Stirred Reactor)" ve "Tapa Akışlı Reaktörler (Plug Flow Reactor)" kullanılmıştır. Oluşturulan modeldeki reaktörler ideal ve ısı degişimsiz olarak varsayılmıştır. Bu modeller CHEMKIN PRO yazılımına aktarılmış ve Lawrence Livemore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) tarafından türetilmiş olan 159 kimyasal tür ve 700 adet tersinir reaksiyon basamağı içeren indirgenmiş n-heptan (n-C 7H16) yakıt mekanizması kullanılarak detaylı kimyasal reaksiyon analizi yapılmıştır. Kullanılan yakıt mekanizması içerisinde NOx tepkime basamakları bulunmamaktadır. Bu problemi ortadan kaldırmak için Berkeley Üniversitesi tarafından türetilen GRI 3.0 metan (CH4) yakıt mekanizmasındaki NOx reaksiyon basamakları ve katsayıları n-heptan yakıt mekanizmasına değişiklik yapılmadan eklenmiştir. xxiv Kimyasal Reaktör Ağ modelinden elde edilen NO x ve CO emisyon sonuçları, İsviçre'deki Sivil Havacılık Federal Ofisi (FOCA) tarafından helikopter motor emisyonlarının motor gücüne bağlı olarak tahmin edilmesine yönelik yapmış olduğu çalışmaların sonuçlarıyla ve Lefebvre gibi bazı araştırmacıların literatüre kazandırdığı korelasyonlardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Motor emisyonlarının kesin olarak öngörülebilmesi oldukça zor olduğundan, bu tip çalışmalarda kabul edilebilen hata payları oldukça yüksek mertebelerde tutulmaktadır. Elde edilen sonuçlar ve yapılan karşılaştırmalar neticesinde, bu çalışmada kullanılan yöntemin göreceli olarak gerçek değerlere yakın sonuçlar verdiği söylenebilir. Diğer taraftan, kesin bir yargıya varabilmek için deneysel ölçümler gerekmektedir ve bu tez çalışmasının da dahil olduğu proje kapsamında geleceğe yönelik bu tip çalışmalar planlanmaktadır.