Hidrojen yakıtlı scramjet motorlarda yanma odası analizi
Combustion chamber analysis in hydrogen fuel scramjet engines
Yazar: ZÜLAL RABİA KAYA
Danışman: PROF. DR. HABİB UMUR
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Scramjetlerde yanma odasına giren havanın yüksek hızda olması, yakıt olarak yüksek entalpiye sahip hidrojen kullanılması, yanmanın kısa sürede yüksek Mach sayılarında (Ma>5) olması, daha yüksek yanma verimi, çıkış hızı ve itki kuvveti sağlanması, araştırmaların da bu dalda yoğunlaşmasına yol açmıştır.  Bu nedenle, soba borusu jet olarak da adlandırılan scramjet motorları özellikle savunma sanayiinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. 

Bu çalışmada HyShot II ve HIFIRE scramjet modelleri nümerik olarak incelenmiştir.  HyShot II ve HIFIRE scramjet motorlarında Ma=6, 7, 7,4, 8 ve 10,4 değerlerinde yanma odası giriş havasının içerisine Ma=2 değerinde hidrojen püskürtülerek yanma odası analizi ANSYS FLUENT yazılımı, SST k-w türbülans modeli kullanılarak nümerik olarak incelenmiştir.

Yapılan nümerik hesaplamalar sonucunda, giriş Ma=6, 7, 7,4, 8 ve 10,4 değerlerinde yanma odasına gelen havanın yanma sonrası çıkış Mach sayısı sırası ile HyShot II scramjet motorunda 2,85, 8,4, 9,60, 10,1, 18,2 ve HIFIRE scramjet motorunda 3,08, 8,91, 10,9, 10,5, 13,1 olduğu bulunmuştur. Diğer bir deyişle, giriş Mach sayısının artması, yanma odasında yanma veriminin arttırmakta ve daha yüksek çıkış Mach sayısı ve itki elde edilmektedir.

Ayrıca HIFIRE scramjet modelinde, HyShot II scramjet modeline göre çıkış değerlerinde daha yüksek sıcaklık, hız, Mach sayısı ve itki elde edilmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda, hidrojenin hava içerisine püskürtüldüğü yakıt enjektörünün çapı ve konumundan dolayı HIFIRE scramjet modelinde, HyShot II scramjet modelinden daha yüksek sıcaklık, hız, Mach sayısı ve itki elde edildiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Scramjet, Süpersonik Yanma Odası, Hidrojen 
2023, v + 58 sayfa.

Abstract:
The high air and fuel inlet velocities and supersonic combustion at Mach numbers bigger than 5 in scramjets provide higher efficiency and thrust, that leads to pioneering and detailed investigations in this field.  Scramjet engines, also called stovepipe jets, have a wide area of use, especially in the defense industry.  

In this study, HyShot II and HIFIRE scramjet models were numerically investigated.  Combustion chamber analysis in HyShot II and HIFIRE scramjet engines by spraying hydrogen at Ma=2 value into the combustion chamber inlet air at Ma=6,7, 7,4, 8 and 10,4 values was analyzed numarically using ANSYS FLUENT software, SST k-w turbulence model.   

As a result of the numerical calculation, the combustion output velocity of the air at the inlet Ma=6,7, 7,4, 8 and 10,4 values was found to be 2,85, 8,4, 9,60, 10,1, 18,2 in the HyShot II scramjet engine and 3,08, 8,91, 10,9, 10,5, 13,1 in the HIFIRE scramjet engine, respectively. In another word, the higher inlet Mach numbers gave rise to bigger combustion efficiency, output Mach numbers and thrust as well. 

It was also found out that the HIFIRE scramjet model resulted in higher exit tempratures, velocities, Mach numbers and thrust than the HyShot II scramjet model, that might be attributed to the diameter and the location of the fuel injector.

Keywords: Scramjet, Supersonic Combustion Chamber, Hydrojen 
2023, vi + 58 pages.