JP-8 yakıtı için 6-adımlı global-kinetik depozit oluşum modeli
6-step global-kinetic deposition model for JP-8 fuel
Yazar: ŞENGÜN KAAN CAN
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Jet yakıtı = Jet fuel

Özet:
Uçak motorlarında asıl kullanım amacı ısıl enerji sağlaması olan jet yakıtları ayrıca ısı soğurucu olarak motor içerisindeki yapıların dayanımını arttırmak amacıyla da kullanılmaktadır. Jet yakıtlarının sıcaklığının yükselmesi ile yakıt içerisinde kimyasal reaksiyonlar meydana gelerek yakıt içerisinde katı karbonlarının oluşmasına ve bu katı karbonların yüzey üzerinde depozit oluşturmasına sebebiyet vermektedir. Bu katı parçacıklarının bir kısmı yakıt ile beraber akarken bir kısmı da akış yüzeyine yapışarak akış yüzeyinde depozit oluşturmaktadır. Özellikle yakıt kanallarında oluşan depozit yapıları motorun çalışmasında olumsuz etkiler yaratarak katastrofik sonuçlar doğurabilmektedir. Bu tez çalışmasında da literatürdeki 6-adımlı global-kinetik deposit oluşum mekanizması kullanılarak JP-8 yakıtına özgü reaksiyon parametrelerine çalışılmıştır.
Öncelikli olarak, jet yakıtlarında depozit oluşumu mekanizmaları, depozit oluşumunda etkili olan faktörler ve geçmişten günümüze oksidatif depozit oluşumu ile ilgili model çalışmaları açısından literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Genel olarak, depozit oluşumu farklı sıcaklıklarda aktif olan iki farklı mekanizma sebebiyle gerçekleşmektedir. Bu mekanizmalar otooksidasyon ve piroliz mekanizmalarıdır. Otooksidasyon mekanizması serbest hidrokarbon köklerinin oksijen ile tepkimeye girmesinden çözülmeyen katı parçacıkları oluştururken piroliz mekanizmasında ise yakıtın içerisinde gerçekleşen kırılma reaksiyonları sonucunda daha yüksek moleküler ağırlığa sahip birleşimler oluşmaktadır ve bunlar depozit oluşumuna sebep olmaktadır. Literatürde yapılan otooksidasyon mekanizması ile ilgili test çalışmalarında en etkili faktörler yakıt sıcaklığı ve yakıt içerisindeki oksijen miktarı olarak gösterilirken yakıt basıncının etkili olmadığı sonucuna varılmıştır. Geçmişten günümüze otooksidasyon mekanizmaları ile ilgili birçok kinetik model çalışması mevcuttur. Her ne kadar detaylı çalışmalar mevcut olsa de yakıt içerisinde gerek çok fazla bileşene olması ve gerek bu bileşenlerin miktarının tam olarak ölçülememesi sebebiyle tam olarak kapsayıcı bir model yaratılamamaktadır. Bu tez çalışmasında literatürdeki RP-3 yakıtı için yaratılan 6 adımlı global kinetik model çalışması JP-8 ile gerçekleştirilen testlerin analiz çalışmasında kullanılmıştır.
Doğrulama çalışmalarında kullanılmak üzere literatürde JP-8 yakıtını kullanan test çalışmaları taranmış ve 2 adet test çalışmasına bu tezde yer verilmiştir. Bunlardan ilki izotermale yakın akışkan testi olup diğeri ise ECAT akış reaktör test çalışmasıdır. İlk test düzeneğinde sabit sıcaklıktaki tüp içerisinden yakıt geçirilmesi sonucu oluşun yüzey üzerindeki depozit miktarı, yakıt içerisindeki oksijen tüketimi ve çıkıştaki hidroperoksit konsantrasyonu incelenmiştir. ECAT akış reaktör testinde ise tüp üzerindeki sıcaklık eksenel olarak farklı olup tüp yüzeyinde meydana gelen depozit miktarı ve yakıt içerisinde meydana gelen çözülemeyen bileşen miktarları incelenmiştir. Her iki test düzeneği ile ilgili detaylara tez çalışmasında yer verilmiştir.
Modelleme çalışmalarında ise her iki test için ayrı ayrı 3-boyutlu modeller kurularak testlerin sınır şartları modellere uygulanmıştır. Çözümlerin doğruluğu aşamasında gerekli olan ağ sayısından bağımsızlaştırma çalışması her iki model için de ayrı ayrı olarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar sonrasında kimyasal reaksiyon içeren analiz çalışmalarına geçilmeden önce referans alınan 6 adımlı global-kinetik analiz çalışmasında kullanılan kabuller ve varsayımlara detaylı olarak anlatılmıştır. Referans çalışmadaki reaksiyon parametreleri RP-3 yakıtına özgüdür. Burada, reaksiyon parametreleri değiştirilerek JP-8 testi ile yapılan testlerin sonuçlarına yakın değerler sağlayacak reaksiyon parametreleri elde edilmiştir. Genel olarak, analiz sonuçları test sonuçlarına yakınsanmış olup sadece ECAT akış reaktör testinde elde edilen çözülemeyen bileşen miktarı ile analiz sonucu arasında farklılık vardır. Modelleme çalışmaları sadece ısıtılan tüp özelinde gerçekleştirilmiş olup ECAT akış reaktör test sisteminde çözülmeyen bileşenler ısıtılan tüp sonrasında yerleştirilen yakıtı soğutucu ısı eşanjöründen sonra ölçülmektedir. Literatürde yüksek sıcaklıkta çözülen bileşenlerin düşük sıcaklığa geçtiğinde çözülmeyen bileşene dönüştüğü belirtilmektedir ve test ve analiz sonucu arasındaki fark literatürdeki bu çalışmaya dayandırılmaktadır.
Elde edilen JP-8 yakıtı özgü 6-adımlı global kinetik modeli ile farklı sınır şartlarını inceleyen parametrik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Parametrik çalışmada izotermale yakın akışkan testi modeli kullanılarak dış duvar sıcaklığının, yakıt debisinin ve yakıt içerisindeki oksijen miktarının yüzey üzerindeki depozit oluşumuna etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Jet fuels, whose main purpose is to provide heat energy in aircraft engines, are also used as a heat sink to cool down the structures and as a result increase the strength of the structures inside the engine. While it is advantageous to use jet fuels as heat sink in aircraft engines, some disadvantages such as chemical degradation in the jet fuel occur with the increase of the temperature of the jet fuel. With the increase in the temperature of jet fuels, chemical reactions occur in the fuel, causing the formation of solid carbons in the fuel. While some of these solid particles flow with the fuel, some of them adhere to the flow surface and form a deposit on the surface. Especially, the deposit structures formed in the fuel channels of heat exchangers create an insulation layer additionally and then decrease the performance of heat exchangers. Also, the deposit formation inside fuel nozzles can create blockage, affect the atomization of fuel and then this phenomena create hot spots in the combustor chamber. In this thesis, reaction parameters specific to JP-8 fuel were studied by using the 6-step global-kinetic deposit formation mechanism in the literature.
Primarily, a literature review has been carried out in terms of mechanisms for deposit formation, factors affecting the deposit formation and model studies on deposit formation mechanisms in jet fuels from past to present. In general, deposit formation occurs due to two different mechanisms active at different temperature levels. These mechanisms are autoxidation and pyrolysis mechanisms. While the autoxidation mechanism creates insoluble solid particles from the reaction of free hydrocarbon radicals with oxygen, in the pyrolysis mechanism, compounds with higher molecular weight are formed as a result of the cracking reactions taking place in the fuel, and these cause deposit formation. In this thesis, only the autoxidation mechanism has been studied in detail.
While the most effective factors were shown as fuel temperature and the amount of oxygen in the fuel, it was concluded that the fuel pressure was not effective in the test studies on the autoxidation mechanism in the literature. Also, the heteroatom compounds like nitrogen and Sulphur have been tested in the literature studies and it has been stated that the the amount of the deposition is linearly dependent with the amount of Sulphur.
There are many global-kinetic model studies on autooxidation mechanisms from past to present. These studies go from the 1-step global model to the 21-step semi-detailed chemical kinetic model, and the reactions and mechanisms of each model are reviewed in the thesis. Even though the detailed studies are available, a fully inclusive model cannot be created due to the fact that there are too many compounds in the fuel and the amount of these compounds cannot be measured, exactly. In this thesis study, the 6-step global kinetic model study created for RP-3 fuel in the literature was used in the analysis of the tests performed with JP-8.
In order to be used in verification studies, test studies involving JP-8 fuel were reviewed in the literature and 2 test studies were included in this thesis. The first of these is the near-isothermal fluid test rig (NIFTR) and the other is the ECAT flow reactor test study. In the first test setup, the amount of deposit on the surface, the oxygen consumption in the fuel and the hydroperoxide concentration in the outlet were examined as a result of passing the fuel through the tube at constant wall temperature (225 C°). In the ECAT flow reactor test, the wall temperature on the tube is axially different and the amount of deposit on the tube surface and the amount of insoluble components formed in the fuel were examined in the test. Details about both test setups are included in the thesis.
In modeling studies, three-dimensional models were established separately for both tests with the help of FLUENT and the boundary conditions of these tests were applied to the models. The mesh sensitivity study, which is required for the accuracy of the solutions of models, was carried out for both models separately. For the NIFTR model, the gradient of the centerline temperature at the inlet was determinant whereas for ECAT flow reactor test model the outlet bulk temperature difference between the test and analysis was determinant for the mesh sensitivity. After these studies, the assumptions of compounds used in the 6-step global-kinetic analysis study, which was taken from the literature, were explained in detail before starting the analysis studies involving chemical reactions. The reaction parameters in the reference run are specific to RP-3 fuel. Here, by changing the reaction parameters, the reaction parameters that will provide values close to the results of the tests made with the JP-8 test were aimed.
As a result, the analysis results except the amount of insoluble compound amount obtained in the ECAT flow reactor test converged to the test results. Modeling studies were carried out only for the heated tube of the test rigs, and the insoluble compounds in the ECAT flow reactor test system are measured after the fuel cooler heat exchanger placed after the heated tube. It is stated in the literature that the soluble compounds at high temperatures turn into insoluble components when they pass to low temperature level, and the difference between test and analysis results is based on this study in the literature.
A parametric study examining different boundary conditions was carried out with this 6-step global kinetic model for JP-8 fuel. In the parametric study, the effect of external wall temperature, fuel flow rate and oxygen content in the fuel on the formation of deposits on the surface was investigated by using a near-isothermal fluid test model. With the increase of wall temperature the deposition amount has increased and the maximum deposition rate location occurs near the inlet side. For the fuel flow rate, when the volumetric flow rate has increased the deposition amount has increased and the maximum deposition rate location occurs near to the outlet side. The reason behind deposition amount increase with the increase at the flow rate is the increase at the amount of oxygen. When the oxygen level has been decreased the amount of the deposition has decreased and the maximum deposition rate location occurs at the same location with the test.