Çift girişli boşaltmalı bir ramjet yanma odasında yanma kararsızlığının sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of combustion instability in a dual inlet dump type ramjet combustor
Yazar: MEHMET BURAK SOLMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ramjet yanma odası performans parametrelerinden bir tanesi yanma odası basınç salınımlarıdır. Bu çalışma ile çift girişli boşaltmalı bir ramjet yanma odasında yanma kararsızlığı, sayısal ve deneysel olarak araştırılmıştır. Sayısal incelemeler kapsamında literatürde yer alan ve test verileri bulunan kare kesitli temsili bir ramjet yanma odası modeli kullanılmıştır. Deneysel incelemelerde ise bu modele benzer bir model tasarlanmış, üretilmiş ve benzer çalışma koşullarında test edilmiştir. 
Doğru bir sayısal inceleme yapılabilmesi amacıyla ayrıntılı kimyasal mekanizmalara dayalı alevcik (flamalet) modelleri ele alınmış, literatürde verilen test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Kararlı Laminer Alevcikler (Steady Laminar Flamelet, SLF) modelinin stokiyometriye yakın mevcut çalışma koşullarında Çoklu Alevcikler Kümesi (Flamelet Generated Manifold, FGM) ile benzer ve test verileri ile uyumlu sonuçların elde edildiği gözlemlenmiş ve bu yanma modeli ile benzetimler gerçekleştirilmiştir.
İki türbülans modelleme yaklaşımı ile benzetim gerçekleştirilmiştir. Doğruluk derecesi yeterli bir çözüm ağının kullanıldığından emin olmak için Richardson ekstrapolasyon yöntemi kullanılmıştır.  Bunun için Steven Pope tarafından tanımlanan M indisi değerleri incelenmiştir. Ortalamalı değerler açısından çok benzer sonuçların hesaplandığı Büyük Burgaç Benzetimi (Large Eddy Simulation, LES) ve Gecikmeli Ayrılmış Burgaç Benzetimi (Delayed Detached Eddy Simulation, DDES) çözümlemeleri bu yönüyle test verileri ile uyumludur. Basınç salınımlarının frekans tabanlı incelemelerinde literatürde test verileri bulunan 1 kHz altı bölge ile benzetimlerin benzer frekanslarda salınımlar gösterdiği anlaşılmıştır. Bu salınımların boylamsal modlardan kaynaklandığı literatürde not edilmektedir. Daha yüksek frekanslarda ise LES'in teorik olarak yanal yönlü olduğu anlaşılan akustik salınım frekansıyla uyumlu güçlü modlar hesapladığı görülmüştür. Duvar kenarında Reynolds ortalamalı Navier-Stokes modelleri kullanan DDES yaklaşımının ise aynı modları sönümlenmiş olarak hesapladığı izlenmiştir. Dinamik Mod Ayrıştırması (Dynamic Mode Decomposition, DMD) kullanılarak yapılan incelemede yanma odası yanal yönlü akustik salınımlarının reaksiyonlar üzerinde zayıf etkileri olduğu, hava kanallarından kaynaklı yanal yönlü salınımların ise etkili olmadığı görülmüştür. 
Benzer bir test kalemi ile gerçekleştirilen testlerde yanma odasından yüksek frekans cevaplı basınç duyargası verileri ve yüksek hızlı OH* kimyasal ışıldama (chemiluminescence) görüntüleri toplanmıştır. Basınç duyargası ve kamera için 25 kHz ile veri alınmıştır. Frekans tabanında incelenen sonuçlar, 1 kHz altı kısım için literatürde yer alan ve benzetimi yapılan test kalemi sonuçları ile benzeşmektedir. Literatürde test verisi yer almayan 1 kHz üzeri bölgede ise yanal moddaki akustik salınım harmonikleri ile uyumlu tepeler görülmüştür. Benzetimlerden farklı olarak hava kanallarının yanal modlarının basınç duyargası ölçümlerinde zayıf olarak hissedildiği anlaşılmaktadır. Reaksiyon göstergesi OH* görüntüleri üzerinden yapılan incelemelerde boylamsal modların yanma odasının ön bölgesinde baskın olduğu, yanal modların ise akış yönünde ilerledikçe ortaya çıktığı anlaşılmıştır. Yapılan çalışma ile çift girişli ramjet yanma odalarında yanal yönlü akustik salınımların baskın bir karaktere sahip olduğu, yanma odası geometrisinden kaynaklı yanal yönlü modların reaksiyonlar üzerinde etkisi olduğu ancak hava kanalları kaynaklı yanal yönlü modların yanma üzerinde etkisi olmadığı gösterilmiştir.

Abstract:
One of the performance parameters of a ramjet combustion chamber is the pressure fluctuations within the chamber. In this study, a dual-inlet dump ramjet combustion chamber was numerically and experimentally examined for combustion instabilities. In numerical investigations, a square cross-section generic ramjet combustion chamber model available in the literature with corresponding test data was used. In experimental investigations, a similar model test rig was designed, manufactured, and tested under similar operating conditions.
To conduct accurate numerical simulations, flamelet models based on detailed chemistry mechanisms were considered. It was observed that the Steady Laminar Flamelet (SLF) model, due to conditions close to stoichiometry, produced similar results as Flamelet Generated Manifold (FGM) and both models predict results very close to experimental data. Simulations were conducted using two turbulence modeling approaches. Richardson extrapolation was utilized to ensure the mesh convergence. M index, defined whether the computational mesh is fine enough for LES computations was used for that purpose. Large Eddy Simulation (LES) and Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) analyses yield very similar results that reproduce the measured data to a very good degree of accuracy.
Pressure fluctuations extracted from simulations exhibited similar oscillations at comparable frequencies to the sub-1 kHz region where test data existed in the literature. The authors noted that these oscillations originated from longitudinal modes. At higher frequencies, LES computed strong modes which are consistent with the theoretical transverse frequencies. DDES, on the other hand, damped the high frequency modes since it uses RANS, Reynolds-averaged Navier-Stokes, modelling at walls where transverse modes are travelling in between. The ANSYS Fluent solver was used to perform all CFD computations carried out within the study.
Dynamic Mode Decomposition (DMD) analysis reveals weak effects over reaction field due to the transverse mode oscillations of the combustion chamber. Negligible fluctuations over reacting field are observed at transverse frequency of the air inlet ducts.
Tests were conducted with a similar test setup, collecting data from high-frequency response pressure sensors and high-speed OH* chemiluminescence images from the combustion chamber. Data acquisition was successfully made at 25 kHz for pressure sensors and the camera. Results analyzed in the frequency domain are matched those from tests and simulations for the sub-1 kHz range found in the literature. In the region above 1 kHz where there was no test data in the literature, distinct peaks were observed consistent with the theoretically transverse mode of the combustion chamber and its harmonics. Unlike simulations, oscillations induced by transverse modes of air inlet ducts were weakly felt in pressure sensor measurements. Analysis based on OH* indicator images revealed dominant longitudinal modes in the front of the combustion chamber, with the most directional modes emerging as the flow progressed in the direction of flow.
The study demonstrated that in dual-inlet ramjet combustion chambers, the transverse acoustic oscillations prevail. While the transverse modes originating from the combustion chamber affect reactions, those from the air inlet ducts do not influence combustion at all.