Numerical analysis of oxy-colorless distributed combustion of methane/ammonia mixtures in a premixed model gas turbine combustor
Ön karışımlı bir model gaz türbin yakıcısında, metan/amonyak karışımlarının oksi-renksiz dağıtılmış yanmasının sayısal incelenmesi
Yazar: ZELİHA TÜRKKAHRAMAN
Danışman: DOÇ. DR. BUĞRAHAN ALABAŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak Mühendisligi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Alev = Flame ; Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Emisyon = Emission ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Türbülanslı yanma = Turbulent combustion ; Yanma odası = Combustion chamber

Özet:
Bu çalışma kapsamında hidrojen ekonomisine geçiş aşamasında kısa-orta vadede
kullanılması planlanan amonyak/metan karışımlarının deneysel yanmasının 3B
modeli üzerinde HAD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon için kullanılan
deneysel test teçhizatı modeli basitleştirilerek 12 ayrı nozul yüzeyinden saf
metan yakıtının deneysel çalışmalardan alınarak oluşturulan giriş parametreleriyle
doğrulama ve ağdan bağımsızlık analizleri gerçekleştirilmiştir.Çalışmada kısmı ön
karışımlı yanma modeli ve oksi-renksiz dağıtılmış yanma metodu uygulanmış,
türbülans modeli için geliştirilmiş duvar realizable k-ε kullanılmıştır.Saf metana göre
ısıl güç sabit tutularak %10 oranında artışla %60'a kadar amonyak eklenmiştir.Aynı
zamanda yakıcı hava içerisindeki O2 oranı %21'den %2'lik artışlarla %29'a
kadar değiştirilmiştir.metan/amonyak yanmasında amonyak (NH3) ve oksijen (O2)
konsantrasyonlarının yanma sıcaklığı,alev hızı, NOx ve CO emisyonları üzerindeki
etkileri incelenmiştir.NH3 artışına bağlı olarak laminer ve türbülans alev hızlarında
azalma gözlemlenirken O2 artışıyla her iki hızda da artış gözlemlenmiştir.Maksimum
sıcaklık NH3 artışına bağlı olarak azalırken, %O2 artışıyla artmıştır.NH3 ilavesi,
özellikle düşük O2 koşullarında CO emisyonlarını önemli ölçüde azaltabilirken,
yüksek O2 koşullarında bile CO seviyelerinin düşük kalmasını sağlamıştır.NH3 ve
O2 yüzdelerindeki artışla NOx emisyonlarında artış gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, 3D HAD simulations of the experimental combustion of
ammonia/methane blends, which are planned to be used in the short to medium term
during the transition to a hydrogen economy, were performed. A simplified model
of the experimental test apparatus was used for the simulations, and validation and
mesh independence analyses were conducted using the input parameters derived
from the experimental studies with pure methane fuel through 12 separate nozzle
surfaces. The partially premixed combustion model and the oxy-colorless distributed
combustion method were applied, and the realizable k-ε turbulence model with
enhanced wall treatment was used. Ammonia was added in increments of 10%, up
to 60%, while maintaining a constant thermal power compared to pure methane.
Simultaneously, the O2 concentration in the oxidizer air was varied from 21%
to 29% in increments of 2%. The effects of ammonia (NH3) and oxygen (O2)
concentrations on combustion temperature, flame speed, NOx, and CO emissions
in methane/ammonia combustion were investigated. A decrease in laminar and
turbulent flame speeds was observed with an increase in NH3, while an increase in
O2 concentration led to an increase in both flame speeds. Maximum temperature
decreased with the increase in NH3, while it increased with the O2 concentration.
The addition of NH3 significantly reduced CO emissions, especially under low O2
conditions, and maintained low CO levels even under high O2 conditions. An
increase in NH3 and O2 percentages resulted in higher NOx emissions.