Dikdörtgensi bir kanal ile kuşatılmış silindirik bir çubuk üzerinde sabitlenmiş önkarışımlı laminer alevin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of a premixed laminar flame stabilized on a cylindrical rod confined in a rectangular duct
Yazar: GÖRKEM ÖZTARLIK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU ; PROF. DR. THIERRY POINSOT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Kimya = Chemistry ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deneysel yöntemler = Experimental methods ; Kimyasal kinetik = Chemical kinetics ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Çalkantılı yayınım etkilerinin bulunmadığı laminer alevler, alev yapısı, yanma kimyası ve akustik tahrik altında alevlerin davranışlarını incelemek amacıyla literatürde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalışmada dikdörtgensi bir kanal ile kuşatılmış silindirik bir çubuk üzerinde sabitlenmiş önkarışımlı laminer bir alev, alevin pozisyonunun belirlenmesi adına, hidrokarbon alevlerinin ürettiği ısının iyi bir niteliksel ölçütü olduğu bilinen CH* emisyon fotoğrafları ve tepkimeli akış için alev öncesi ve tepkimesiz durum için kamera görüş açısının elverdiği oranda hız alanının ölçülmesine olanak veren Parçacık Görüntü Hız ölçümü teknikleriyle deneysel incelenmiştir. Sayısal yöntemler kullanılarak deneysel düzenekteki akış, açık kaynak hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu OpenFOAM ve CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) tarafından geliştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu AVBP kullanılarak modellenmiştir. Elde edilen deneysel ölçümler ve HAD sonuçları uzlaşma durumunun değerlendirilebilmesi için birbirleriyle karşılaştırılmıştır ve aralarındaki uyum incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ve hesaplamalar alevin tutunma mekanizmasının incelenmesinde kullanılmıştır. Tepkimesiz sıkıştırılamaz akış durumu için gerçekleştirilen HAD çalışmaları ve deneysel sonuçlar kullanılarak burgaç kopması fenomeni incelenmiş ve sınır tabaka ayrılma noktaları araştırılmıştır. Silindirik çubuğun döndüğü durumlarda dönüş hızının burgaç kopması fenomenine etkisi araştırılmış ve kaldırma katsayıları incelenmiştir. Alev sönme mesafesi duvar sıcaklıkları, yanma kimyası ve gerilme etkilerine son derece bağlı olduğundan alev kök pozisyonu karışımın kompozisyonundan ve birbirleriyle ilişkili olan duvar sıcaklıklarından son derece etkilenecektir. Bu etki aynı serbestçe yayınan alev hızlarına sahip metan/hava ve hidrojenle zenginleştirilmiş metan/hava alevleri için karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bunların yanında açık kaynak bir kimya çözücüsü olan CANTERA kodu kullanılarak değişik koşullar ve kimyasal mekanizmalar için serbestçe yayılan ve gerinim altındaki alev hızları, kendiliğinden tutuşma zamanları, ve denge kimyası hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Fosil yakıtlara iyi bir alternatif olarak düşünülen hidrojen ve hidrojenin çalışmada kullanılan metan gibi fosil yakıtlara katıldığındaki etkileri araştırılmıştır. Aynı serbestçe yayılan alev hızlarına sahip metan/hava ve hidrojen katkılı metan/hava alevleri için gerinim etkisi altındaki alevler ve deneysel düzeneğin HAD benzetimleri hesaplanmış ve alev hızları ile alev tutunma mekanizmaları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Laminar flames, in which the effect of turbulent diffusion is non-present, are widely used in the literature to study the flame structure, combustion chemistry and flame behavior under acoustic fluctuations. In this study a laminar flame stabilized on a cylindrical rod confined in a rectangular duct is investigated experimentally by utilizing CH* emission photographs; which is found to be a good representation of the qualitative heat release in hydrocarbon flames, to obtain the position of the flame and PIV measurements to acquire the velocity field prior to the flame and in a part of the chamber which can be accessed by the field of view of the camera for non-reacting cases. Also, open source CFD software OpenFOAM and AVBP CFD code developed by CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) has been utilized to simulate the flow to be compared to the experiments for the assessment of the degree of agreement. These measurements and calculations are then be used to study the flame stabilization mechanism on the rod. The CFD calculations for the non-reacting cases and the experiments have been used to study the Karman vortex shedding phenomenon and the location of the boundary layer separation points. When the rod is actuated, the effect of the speed of rotation of the rod on the vortex shedding mechanism and the lift coefficient has been investigated. As the flame quenching distance is depending on the wall temperature of the rod, combustion chemistry and the effects of strain, the flame root position will be greatly affected by the composition of the mixture and the wall temperature of the rod. This study also includes non-stretched and stretched laminar flame speed, auto ignition delay time and equilibrium calculations for different conditions performed by open source chemistry solver CANTERA using different chemical mechanisms. As it is considered to be a good alternative to fossil fuels, there is specific interest on the effects of hydrogen addition to the primary fuel which is methane and the effects of hydrogen addition on flame speeds, extinction strain rates and equilibrium temperatures have been investigated. For the methane/air and hydrogen enriched methane air flames that have the same freely propagating flame speeds stretched flame speeds and CFD calculations of the experimental setup has been performed to assess the effect of hydrogen on stretched flame speeds and the flame stabilization mechanism on the rod.