Ön-film oluşumlu hava ile parçalamalı atomizere sahip bir model gaz türbini yanma odasında yanmanın büyük burgaç benzeşimi yaklaşımı ile incelenmesi
Investigation of combustion in a model gas tubine burner fueled by pre-filming airblast atomizer using large eddy simulation
Yazar: ENDER HEPKAYA
Danışman: PROF. DR. NURİ YÜCEL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atomizasyon = Atomization ; Gaz türbini = Gas turbine ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Jet yakıtı = Jet fuel ; Yanma odası = Combustion chamber

Özet:
Gaz türbinli motorların yanma odaları oldukça karmaşık fiziksel olguların gerçekleştiği motor bileşenleridir. Bununla birlikte tasarım ihtiyaçları neticesinde kullanılan yakıt besleme ve soğutma yapılarının varlığı, geometrik yapının da karmaşıklaşmasına yol açmıştır. Yanma odası teknolojilerinin geliştirilmesi sırasında hem gerçekçi yanma odaları hem de belirli olguları daha detaylı incelemek amacıyla basitleştirilmiş (model) yanma odaları üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında da modern gaz türbini yanma odalarında sıkça kullanılan ön-film oluşumlu ve havayla parçalamalı bir atomizere sahip, basitleştirilmiş yanma odası üzerinde sayısal çözümler ve kullanılan modellerin deneysel verilerle doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ilk olarak, kullanılan jet yakıtının özellikleri ile uyumlu olacak biçimde çok bileşenli temsili bir jet yakıtı oluşturulmuş ve bu karışımın kimyasal davranışı incelenmiştir.  Ardından, çalışmada kullanılacak sayısal ağ ve LES türbülans yaklaşımının uygunluğunu araştırmak için tepkimesiz akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarının, yanma odasına ait PIV ölçümleriyle kıyaslandığında oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Tepkimeli analizlere geçildiğinde ise, ön-film oluşumlu havayla parçalamalı atomizerin davranışını yansıtacak iki farklı yakıt besleme yaklaşımı denenmiştir. Bu yaklaşımlardan ilki, film yüzeyinde yakıt damlacıklarının jet oluşturarak kayması ve yanma odasına girmesi, diğer yöntem ise döndürücü çıkışından belirli bir dağılım ile yanma odasına gönderilmesidir. Analizler sonucunda yakıt damlacık dağılımının hem akış alanı hem de sıcaklıklar üzerinde önemli bir etkisinin olduğu görülmüştür. Deneysel verilerle kıyaslandığında, döndürücü çıkışından besleme yöntemiyle en iyi sonuçların elde edildiği görülmüştür. Tepkimeli akışta tür bir atomizerin oluşturduğu sprey dağılımı ve yanma davranışının doğrulanması ve farklı yakıt enjeksiyonu stratejilerinin etkilerinin incelenmesi bu tez çalışmasının yenilikçi ve özgün yönünü ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, model doğrulama çalışmasının ardından farklı modelleme yaklaşımlarının etkisi de parametrik biçimde araştırılmış ve sayısal yanma analizlerinin sonuçlarına olan etkileri tez çalışmasında sunulmuştur.

Abstract:
Gas turbine combustors are the engine components in which complex physical phenomena take place. In addition to that, the combustors have complex geometries due to fuel injection systems and cooling structures designed according to requirements. During combustion technology development studies, both realistic and model combustors simplified for investigating specific phenomena are used. Within the scope of this thesis, numerical model validation studies have been performed for a model gas turbine burner with a pre-filming air-blast atomizer widely-used in modern engines. Firstly, a multi-component surrogate fuel has been developed using real jet fuel properties, and the chemical behavior of this surrogate fuel has been investigated. Then, non-reacting flow analysis has been performed to examine the computational mesh and LES turbulence approach. The analysis results are in good agreement with the burner's PIV measurements. For the reacting analysis, two approaches have been used to mimic the behavior of the pre-filming air-blast atomizer. The first approach is to slip fuel droplets over the pre-filming surface like a jet, and the other approach is to inject fuel droplets directly from the swirler exit with a distribution. The analysis shows that fuel droplet distribution has a significant effect on flow field and temperature. When the results are compared with measurements, the best results have been obtained using the swirler exit injection approach. Validation of spray and combustion modeling in reacting flow and investigation of the effects of different injection strategies show the original contribution of the study. Moreover, the effect of different modeling approaches have been investigated parametrically after the model validation study, and the effects of these parameters on numerical combustion analysis have been discussed in this thesis.