Gemi dizel motorlarında karışım oluşumunun çok boyutlu matematiksel modeli
Multidimensional mathematical model of the mixture formation in marine diesel engines
Yazar: ÖZGÜR OĞUZ TAŞKIRAN
Danışman: PROF. DR. METİN ERGENEMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2004
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
GEMİ DİZEL MOTORLARINDA KARIŞIM OLUŞUMUNUN ÇOK BOYUTLU MATEMATİKSEL MODELİ ÖZET Dizel motorlar; içten yanmalı makinalar arasında en yüksek termal verime sahiptir. Motorun giriş ve çıkış parametreleri çok iyi bilinmesine rağmen, yanma odasına yakıtın püskürtülmesi ile başlayan karışım oluşumu, tutuşma ve yanma süreçleri çok iyi tanımlanamayan karmaşık kimyasal ve fiziksel olayların sonucunda gerçekleşmektedir. Bu kimyasal ve fiziksel olayların niteliğinin araştınlarak bir matematiksel modelin oluşturulması, bir çok araştırmacı tarafından üzerinde çalışılan bir konudur. Dizel motorlar üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmaları, deneysel ve teorik olarak yapılmaktadır. Deneysel çalışmalar oldukça yüksek maliyetli laboratuar imkanları ile yapılabilmektedir. Bunun dışında motor deneyleri oldukça uzun zaman almakta ve ekonomik olmamaktadır. Deneysel çalışmaların sayısını ve maliyetini azaltmak amacıyla matematik modellerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. Bu modellerin çözümü Akışkanlar Dinamiğine dayanmaktadır. îçten yanmalı motorlarda Sayısal Akışkanlar Dinamiği modellerinin kullanımı 1970'li yıllarda başlamıştır. Sonlu hacimler metodu kullanılarak elde edilen sayısal çözümler, bilgisayar teknolojisinin ilerlemesiyle daha kapsamlı hale getirilmektedir. Yanma odasının sonlu hacimlere bölünerek, kütlenin, momentumun ve enerjinin korunum denklemleri bu küçük hacimlere uygulanmaktadır. Dizel motorların modellenmesinde ortaya çıkan problemlerden biri yanma odası içerisinde sıvı ve gaz fazının bir arada bulunmasıdır. Yanma odası içerisinde bulunan sıkışnrılabilir akışkan hareketleri için gaz fazı, sıkıştinlamaz akışkan hareketleri için sıvı fazı denklemleri kullanılmakta ve bu denklemler birbirleri ile iHşküendMlmektedir. Bir diğer problem ise pistonun hareketine bağh olarak model geomelrisinin değişmesidir. Yanma odası geomeMsinin zamana göre değişimi, hücre yapısının da zamana bağh olarak yeniden düzenlenmesini gerektirmektedir. Gaz ile sıvı fazı ilişkisi ve geometrinin yeniden düzenlenmesi, bkbirini izleyen üç ayrı safhada ele alınmaktadır. A ve B safhalarında sırasıyla sıvı ve gaz fazı denklemleri çözümlenmekte, C safhasında ise hücre yapısı yeniden oluşturulmaktadır. Çok boyutlu modeller ile oluşturulabilen yakıt demeti modeli sıvı yakıtın çok küçük damlacıklara ayrılarak parçalanması, birleşmesi ve buharlaşmasını içermektedir. Bu çalışmada kullanılan matematik modelde, parçalanma ve birleşme modelleri için farklı modeller ele alınmış ve incelenmiştir. Yakıtın buharlaşması ve yüksek türbülanslı hava akımları ile etkileşimi sonucunda tutuşma başlamaktadır. Türbülansın modellenmesi için iki denklemli modellerden yararlanılmıştır. Belirli bir tutuşma gecikmesi sonucunda, yakıt demetinin türbülanslı yanması başlamaktadır. Yakıt-hava karışımı oranları, türbülans, basmç ve sıcaklık gibi bir çok parametresi bulunan yanma modeli için ise, literatürde bulunan modeller incelenmiş ve bu modeller arasındaki farklar ortaya konulmuştur. Yapılan çalışmalarda dizel ortamına en uygun sonucu veren kısmi karışımlı reaktör modeli sıklıkla kuUamlmıştır. Yanma xımodeli için, hem tek basamaklı yanma reaksiyonunu içeren basit yanma mekanizması, hem de 68 bileşen, 291 reaksiyondan oluşan kısaltılmış detaylı yanma mekanizması kullamlmıstir. NOx oluşumu için ise genişletilmiş Zeldovich mekanizması kullanılmıştır. KTVA3V sayısal akışkanlar dinamiği kodunun kullanıldığı çalışmalarda, sabit hacim (bomba) modelleri ve dizel motor modelleri çözümlenmiştir. Sabit hacim modellerinin basit oluşu ve daha kısa sürede çözüm elde edilmesi sebebiyle yakıt demeti üzerinde yapılan incelemelerde sıklıkla kullamlmıstir. Bu çalışmada, sabit hacimde yapılan modeller ile literatürde bulunan sonuçlar karşılaştırılarak, yakıt demetinin buharlaşması, tutuşma gecikmesi süresi ve yanma modelleri incelenmiştir. Dizel motor modelinde ise deneysel verileri bulunan bir dizel motor ele alınarak değişik yüklerdeki sayısal çözümler ile deneysel sonuçlar karşılaştuılmıştır. Sayısal sonuçlar ile deneysel sonuçlar arasında bazı uyumsuzluklar bulunmuş olup, bu sorun; yakıtın parçalanmasını sağlayan reaksiyonun çarpışma frekansı katsayısının değiştirilmesi ile giderilebilmiştir. Elde edilen sonuçlar yardımıyla bir gemi dizel motoru ele alınarak modellenmiştir. Bu çalışmada unix tabanlı işletim sistemlerine sahip PC, SGI ve SUN bilgisayarları kullanılmış olup, model sonuçlan GMV (General Mesh Viewer) ile görüntülenmiştir. Ayrıca geometrik modelin oluşturulmasında AUTOCAD programından yararlanılmıştır. xıı

Abstract:
MULTIDIMENSIONAL MATHEMATICAL MODEL OF THE MIXTURE FORMATION IN MARINE DHCSEL ENGINES SUMMARY Diesel engines have the highest thermal efficient among the internal combustion engines. Though, it is well known what comes out and what goes into the engine, the mixture formation, autoignition and combustion processes, starting after the injection of fuel into the combustion chamber are the result of the complex chemical and physical phenomena which are not well known. These processes have been investigated by many researchers to obtain a mathematical model. Diesel engine development processes are made by both experimental and numerical studies. Beside it needs expensive laboratory equipments, the experimental studies are very expensive and time consuming. In order to reduce the costs and number of the experiments it is necessary to develop numerical models. The basis of the numerical models is the Computational Fluid Dynamics. Computational Fluid Dynamics have been used in internal combustion engine studies after 1970's. The scope of the numerical solutions which are obtained by using the finite volume methods are getting expanded by the improvements in computer technology. The combustion chamber is divided into the finite volumes and then the mass, momentum and energy conservation equations are applied. Some problems arise when the combustion chamber of the diesel engine is modeled. One of them is that, there are both liquid and gas phase in the same environment. For the compressible fluid gas phase equations, for the incompressible fluid the liquid phase equations are used and the correlations of these equations are taken into account. Another problem is the change in the geometrical shape of the combustion chamber, due to movement of the piston. The geometrical shape must be changed in time. The equations of gas and liquid phases, and the re-arrangement of the geometrical shape were handled in three consecutive stages. In the A and B stages, the liquid and gas phase equations were solved and in the C stage, the mesh is re-mapped. Formation of the fuel spray that is obtained by using multidimensional models, consists of the break-up, collision and evaporation sub-models. In this study different break-up and collision sub-models are investigated. After the evaporation of the fuel, the vapor of the fuel is mixed with turbulent air and autoignition occurs. For the turbulence, two equation models are used. Turbulent diesel spray combustion starts after autoignition. There are many parameters for the combustion, e.g., equivalence ratio, turbulence, pressure and temperature. Different combustion models which are used in the literature are investigated and the differences are revealed. The "Partially Stirred Combustion model" of which results are the most appropriate for the diesel engine is commonly used in these studies. Both simple single step oxidation mechanism and reduced complex mechanism which consists of 68 species and 291 reactions are used for combustion model. The NOx formation is obtained by using extended Zeldovich mechanism. XlllConstant volume bomb models and diesel engine models were solved by using KTVA3V Computational Fluid Dynamics code. Because of simplicity, the constant volume calculations are chosen for the spray model investigations. Spray model, autoignition and combustion results of the constant volume calculations were compared with the results that were published in the literature. Diesel engine calculations were performed for an engine at different loads. Numerical results were compared with the experimental data. There were some disagreements between the results. This was handled by changing the collision frequency coefficient of the fuel decomposition reactions. By using the information that was obtained from the numerical studies, a marine engine combustion chamber is modeled. In this study PC, SGI and SUN computers which have UNTX based operating system, were used and the numerical results were viewed by the GMV (General Mesh Viewer). Beside this AUTOCAD program was used to make geometrical models. xiv