Turbulence and flame interaction for control of flame location in diffuser combustor

Uygun alev konumu, yanma sistemlerinin uygulamalarında, özellikle yanma sistemlerinin tasarımında talep edilir. Sınır koşulları, yanma odası geometrisi ve türbülans akış geometrisi gibi birçok parametre alev davranışını etkiler. Verilenlere göre türbülans akışlarının özellikleri, alev davranışını ve yanma sisteminin tasarımını etkiler. Alev konumu, yanma odasının geometrisinin uygun özelliklerin seçimi ile tasarımı bozmadan istenilen seviyeler içinde kontrol edilebilir. Bir geri bildirim kontrol yöntemi alev konumunu istenilen seviyelerde kararlı hale getirmek için türbülans akışın özelliklerinden yararlanır. Bu çalışmanın esas amacı türbülans akışın özelliklerini kullanarak alev konum kontrolü için bir strateji ortaya koymaktır. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsü, türbülanslı akışın ana parametreleri arasındadır. Bu yüzden, bu çalışmanın ikinci amacı alev konumunda türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünün etkilerini araştırmaktır. Alev konumunun türbülansa bağlılığının araştırılması, uygun bir yanma odası geometrisinin seçilmesine dayanır. Bu amaçla, simetrik eksenli difüzör şekli türbülanslı değişik türbülans şiddetlerine ve uzunluk ölçülerine maruz kalmış önceden hazırlanmış alevin alev konumunu ortaya çıkarmak için kullanılır. Akışın yön boyunca yavaşlaması nedeniyle difüzör seçildi. Bu nedenle, alev hızı arttığı zaman alevin içeri doğru yayılması beklenilir. Bu şekilde, Termal güç değişimi olmadan türbülans etkisi çalışılabilir. Ek olarak, yanma odası boyunca yavaşlayan akış nedeniyle, alev sönmesi ve boşaltmadan kaçınmak için difüzör yakıcı kullanılır. Bu çalışma için iki tip yakıcı difüzör seçildi. Birinci yakıcı silindirik bir difüzör iken ikincisi konik eklemeli silindirik difüzördür. Türbülanslı önceden karıştırılmış propan alevleri için difüzör yakıcıya, Reynolds-ortalamalı Navier-Stokes akış modeline k-epsilon türbülans modeli ile entegre edilmiş uyumlu bir alev modeli kullanılarak sayısal simülasyonlar uygulanmıştır. İlk olarak, bir difüzör tipli yanıcıdaki türbülansın alev konumu üzerindeki etkisi kararlı durumlar altında çalışıldı. Sonuçlar, alev konumunun, orta ve yüksek türbülans uzunluk ölçüleri için türbülans yoğunluğundaki artışla birlikte difüzör yanma odasının girişine doğru hareket ettiğini göstermektedir. Düşük türbülans uzunluk ölçülerinde alev konumu davranışları farklıdır. Alev konumu türbülans şiddetindeki artışla beraber başlangıçta azalır ve sonra kararlı hale gelir. Ayrıca, alev alanı yoğunluğu türbülans şiddeti ve türbülans uzunluk ölçüsündeki artış ile birlikte alev konumunu etkiler. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsü aynı zamanda alev alanı yoğunluğu, alev şekli ve alev konumunu etkiler. İkinci olarak, kararsız simülasyonların sonuçları, türbülans şiddeti, uzunluk ölçüsü ve akış ayrımı önceden karıştırılmış türbülans yanmasının alev konumu üzerindeki önemli bir etki uyguladığını belirtir. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsündeki artışın sonucu olarak alevin ön tarafı difüzörün içine doğru hareket eder. Alev konumu yüksek türbülans şiddeti için difüzörün ortasına düşer. Bununla birlikte, test aralığında türbülans şiddetinin etkisi türbülans uzunluk ölçüsünün etkisinden daha görünebilirdir. Sabit türbülans şiddetinde türbülans uzunluk ölçüsündeki artış, alev konumunda azalmaya sebep olur. Yanma ve giriş türbülansının, esas olarak alev ön tarafında akış yönünde bir akış ayrımına neden olduğu gözlenmiştir. Sonuç olarak, ikincil akış yapıları alev topolojisi ve konumunu etkiler. Bu nedenle, akış konumu ve şekli; akış ayrımı, türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünden etkilenir. Üçüncü olarak, akış ayrımını ortadan kaldırmak için difüzör tipli yakıcının ortasına bir konik ek yerleştirildi. İki tip difüzörün (konik ekli ve eksiz) alev konumu üzerindeki türbülansın etkisi çalışıldı ve karşılaştırıldı. Sonuçlar, alev, iki difüzör tipli yakıcıda türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsündeki artışla difüzörün girişine doğru hareket ettiğini gösterir. Yüksek türbülans uzunluk ölçüsünde, alev, türbülans şiddetindeki artışla konik bir ekleme ile difüzörün girişinde hızla düşer, oysa difüzör konik bir ek ile kullanılmadığında alev bir orta seviyeye düşer. Dahası, her iki durumda da düşük türbülans şiddetinde alev konumunun eğilimlerinde bir benzerlik gözlendi. Sonuçlar, Taylor-scale Reynolds sayısı türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünün değil alev konumunun etkili parametresi olduğunu gösterir. Taylor-scale Reynolds sayısındaki bir artış alev konumun yanma odasının girişine doğru hareket etmesine neden olur. Yüksek türbülans Taylor-scale Reynolds sayısında alev yanma odasının girişine düşer. Akış ayırımı konik ekin olmadığı difüzörde gözlendi ve konik ek kullanılarak akış ayırımı ortadan kaldırıldı. Son olarak, difüzör yakıcıda alevin kontrolü farklı türbülanslı akış özellikleri altında çalışıldı. Bu amaç için bir kontrol stratejisi önerildi. Java makro olarak yazılan kontrol algoritması, ticari bir CFD yazılımına, yani STAR CCM + 'ya uygulanır. Bu yapı iskeleti, kararlı hal kontrollü koşullar altında önceden karıştırılmış türbülanslı alev için tüm simülasyonları gerçekleştirmek için kullanılır. Algoritma türbülans kinetik enerjisini ve türbülans dağılım oranını ayarlamak için yapıldı. Alev yerini istenen seviyede sabitlemek için geri besleme kontrolü uygulanır. Sonuçlar girişteki türbülanslı kinetik enerjinin kontrolü, hedeflenen seviyedeki alev yerini kontrol ettiğini gösterir. Buna ek olarak, düşük türbülanslı kinetik enerji için yüksek seviyeye hareket ederken, alev bölgesinin yüksek türbülanslı kinetik enerji için düşük bir seviyeye taşındığı gözlenmektedir.