Numerical investigation of turbulent combustion in a reverse flow combustor using les
Ters akışlı yanma odasındakı türbülanslı yanmanın les yöntemi ile incelenmesi
Yazar: MEHMET ÖZGÜNOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Aeroakustik = Aeroacoustic ; Termoakustik güç = Thermoacoustic power ; Türbülanslı akış = Turbulent flow ; Türbülanslı yanma = Turbulent combustion

Özet:
Türbülanslı yanmanın araştırılması gaz türbini tasarımı açısından önemlidir. Düşük
emisyonlu gaz türbini operasyonu türbülanslı karıştırma ile sağlanabilmesine 
rağmen, bu durum sistemin kararlılık performansını etkilemektedir. Günümüz 
süper-bilgisayarları ve nümerik yöntemleri sayesinde söz konusu durum modellenerek,
deney ortamına ihtiyaç duyulmadan çözüm üretmek mümkündür. Türbülanslı
yanma olayının detaylı bir şekilde incelenmesi gerekiyorsa, LES yöntemi en etkili
yöntemlerden biri olarak ön plana çıkmaktadır.
Gaz türbini tasarımı ele alındığında durma noktasına sahip ters akışlı (SPRF) yanma 
odası, benzersiz geometrisi sayesinde kararlı ve verimli bir yanma sunmaktadır. Aynı
geometrik düzlem üzerindeki giriş ve çıkış portlarının varlığı, geometri içerisinde iç 
gaz re-sirkülasyonu sağlar. Bu özellik aynı zamanda karmaşık bir akış alanını da ortaya 
çıkarmaktadır.
Bu çalışmada, SPRF yanma odasındaki türbülanslı yanma etkileşimi, LES metodolojisi
ile sayısal olarak incelenmiştir.
İlk olarak, soğuk akış durumu sıkıştırılamaz LES akış çözücüsü ile modellenmiştir. 
LES'in tek denklemli grid altı benzetimi karmaşık akış alanını yakalamak ve
soğuk akış vakalarındaki deney sonuçlarını doğrulamak için yeterli çözünürlük 
sağlamıştır. Sonraki analizlerde de reaktif ön-karışımlı ve ön-karışımsız operasyonlar 
incelenmiştir. Ön-karışımsız çalışmada, konum olarak yanma odasının ikide üçünde
kaldırılmış alev bulunurken, ön-karışımlı operasyon için giriş portlarından başlayan
yapı¸sık bir alev gözlemlenmiştir. Kompleks akış alanı ve yanma dinamikleri
sonuçları söz konusu yanma odasının çok düşük emisyon değerleri ile çalışabildiğini 
göstermiştir. Koaksiyal jetler arasındaki kayma tabakasının varlığı, yoğun bir 
karıştırma ortamı yaratmış ve bu da yanma etkinliğini daha da artırmıştır. Egzoz gazı 
re-sirkülasyonu, yüksek sıcaklık seviyelerini, dolayısıyla yanma odası içindeki yüksek
NOx seviyelerini önlemiştir.
Başlangıç aşamasındaki termo-akustik çalışma, gürültü seviyelerinin türbülanslı
üretim ve ısı salınımı üretiminden çok fazla etkilendiğini göstermiştir. Yanma gürültüsünün toplam gürültü seviyesine katkısı, ön-karışımsız operasyonda
ön-karışımlı operasyona kıyasla daha yüksek elde edilmiştir. Ön-karışımsız
operasyonda daha büyük ısı salınımı gözlenmiştir.
Daha fazla güce ihtiyaç duyulan durumlarda geometrinin davranışını anlamak
için termo-akustik kararsızlıkların ayrıntılı bir biçimde incelemesi gerekmektedir.
Karşılaştırılabilir sonuçlara ulaşmak için farklı yanma ve reaksiyon mekanizmalarını
test etmek de ayrıca önemlidir. Bu çalışmaların ilerleyen dönemlerde yapılması
hedeflenmiştir.

Abstract:
Investigation of turbulent combustion is very important for gas turbine design.
Although achieving low emission gas turbine operation through turbulent mixing,
interaction between turbulence and combustion can affect the performance in terms
of stability. With today's supercomputers and numerical methods, this situation can be
modeled and overcome without the need for an experimental environment. Large eddy
simulation (LES) technique is one of the most powerful computational fluid dynamics
(CFD) method if the detailed investigation is intended about turbulent combustion.
In terms of gas turbine design, stagnation point reverse flow (SPRF) combustor offers
a stable and efficient combustion process resulting from its unique geometry. The
presence of the inlet and outlet ports on the same geometrical plane provides internal
gas recirculation within the geometry. This feature also reveals a complex flow field.
In this study, turbulent combustion interaction in a SPRF combustor is numerically
investigated using LES methodology.
First, the non-reacting cold flow case is modeled with incompressible LES flow solver.
Results showed that LES with one equation sub-grid modeling provided sufficient
resolution to capture complex flow field and validate experimental results of the
cold flow cases. Further analysis are extended to reacting cases as premixed and
non-premixed operations. In the non-premixed operation, a lifted flame is located about
the two-thirds of the combustor, while an attached flame is observerd for the premixed
operation. Results of the complex flow field and combustion dynamics showed that it
can operate at low emission conditions. The existence of the shear layer between the
coaxial jets resulted with intense mixing which further increases the efficiency of the
combustor. Exhaust gas re-circulation prevented high temperature levels, hence high
NOx levels within the combustor.
Preliminary thermo-acoustic study showed that noise level are highly affected by the
turbulent production and heat release generation. The contribution of the combustion
noise to the total noise level is obtained higher in the non-premixed operation as
compared to the premixed one. In the non-premixed operation larger heat release is
observed.
A detailed examination of thermo-acoustic instabilities is necessary to understand its
behavior in situations where more power is required. It is also important to test different
combustion and reaction mechanisms in order to achieve comparable results. These are
targeted as part of future work.