Ön-film oluşumlu, hava parçalamalı atomizere sahip bir yanma odasının sprey ve yanma karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi
Computational fluid dynamics analysis of spray and combustion characteristics of a combustion chamber with prefilming air-blast atomizer
Yazar: ENDER ÇELİK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Lagrange yaklaşımı = Lagrange approximation ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Yanma odası = Combustion chamber

Özet:
Bu tez çalışmasında, insansız hava araçlarında kullanılacak olan küçük boyutlardaki bir turbojet motorun ön-film oluşumlu hava parçalamalı atomizere sahip yanma odası içerisindeki çift fazlı ve reaksiyonlu akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile analiz edilmiştir. Analiz edilen yanma odasının geometrisi, literatürde yer alan tasarım kriterleri çerçevesinde, bir boyutlu metodolojiler ve izotermal HAD simülasyonları ile oluşturulmuştur. Hava parçalamalı atomizerde oluşan spreyin karakteristikleri, atomizer içerisindeki çift fazlı akışın reaksiyonsuz HAD simülasyonları gerçekleştirilerek incelenmiştir. Sprey simülasyonlarında elde edilen damlacık çap ve hız değerleri, reaksiyonlu HAD simülasyonlarına sınır şart olarak girilmiştir. Reaksiyonlu simülasyonlarda, akışın türbülans ve yanma karakteristikleri, Realizable k-? ve Hibrit Eddy Break Up modelleriyle ele alınmış; bu modellerin ve HAD analizleri için kullanılan Star-CCM+ yazılımının güvenilirliği, bir türbülanslı yanma problemi olan Sandia Flame D deneyinin simülasyonları gerçekleştirilerek, kanıtlanmıştır. Hava parçalamalı atomizerde oluşan sıvı damlacıkların akışı ise Lagrange yaklaşımıyla hesaplanmıştır. Sprey simülasyonlarında, basınç atomizeri çıkışındaki birincil parçalanma, damlacıkların atomizer duvarına çarpması sonucu sıvı film oluşumu, duvar üzerinde oluşan sıvı filmin gaz fazı ile etkileşimi sonucu parçalanması ve gaz fazının yarattığı aerodinamik etkiler sebebiyle gerçekleşen ikincil damlacık parçalanması gibi olgular modellenmiş; sonuç olarak hava parçalamalı atomizerin ortalama 20 ?m çapında ve 15 m/s eksenel hıza sahip damlacıklar oluşturduğu görülmüştür. Reaksiyonlu simülasyonlar ile birlikte, yanma odası içerisindeki sıcaklık ve yakıt denge katsayısı dağılımı hesaplanmış; sonuç olarak, yanma verimi %97.4, RTDF değeri %16, OTDF değeri %28 ve toplam basınç kaybı %4.9 olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this study, two-phase reacting flow through a combustion chamber with a prefilming air-blast atomizer is analyzed using Computational Fluid Dynamics (CFD). The combustion chamber analyzed belongs to a small scale turbojet engine that will be used in unmanned aerial vehicles. According to predetermined design criteria, the geometry of the combustion chamber is formed by means of one dimensional design methodologies and isothermal CFD simulations. The characteristics of the spray generated by the airblast injector are investigated with the two phase non-reacting CFD simulations of the flow through the atomizer. Droplet size and velocity distributions obtained from the spray analysis are used as boundary conditions in the reacting simulations. Realizable k-? turbulence model is used for turbulent flow coupled with the Hybrid Eddy Break Up combustion model for reactions. CFD simulations of Flame D of Sandia Laboratories have been performed in order to validate these models and the code, Star-CCM+. In addition, the flow of the dispersed phase is computed with Lagrangian models. In the spray analysis, primary breakup at the exit of the simplex nozzle, film formation due to impingement of droplets to the atomizer wall, film breakup arising from wave instabilities in the wall film and secondary breakup of fuel droplets are modeled. It has been observed that, the airblast atomizer generates a spray with a 20 ?m mean diameter and 15 m/s axial velocity. Moreover, in the reacting simulations, temperature and equivalence ratio distributions inside the combustion chamber have been predicted. As a result, combustion efficiency, RTDF, OTDF and pressure drop values are found as %97.4, %16, %28 and %4.9 respectively.