Silindirik bir yanma odasındaki türbülanslı reaksiyon akışının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of turbulent reaction flow inside a cylindrical combustion chamber
Yazar: FATİH EKER
Danışman: PROF. DR. İLKER YILMAZ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı geçişi = Heat transfer ; Radyasyon = Radiation ; Schmidt eşitsizliği = Schmidt inequality ; Türbülans = Turbulence ; Yanma = Combustion

Özet:
Bu çalışmada, ön-karışımsız girdaplı bir alev içeren silindirik bir yanma odasındaki türbülanslı reaksiyon akışı sayısal olarak incelenmiştir. Yanma odasının 60°'lik dilimine tekabül eden akış hacmi SpaceClaim programı kullanılarak oluşturulmuştur. Polyhedral hücreler içeren 3 farklı çözüm ağı Workbench Meshing yoluyla üretilip, ağdan bağımsızlık çalışması yapılmıştır. Çözüm hata kalıntılarının yakınsamasına ilaveten, yanma odası içinde oluşturulan ölçüm noktaları üzerindeki hız ve sıcaklık değerlerinin yakınsaması iterasyona bağlı grafiklerle gösterilmiştir. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) yaklaşımını kullanarak farklı türbülans, yanma ve reaksiyon mekanizmalarından oluşturulan kombinasyonlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ayrıca radyasyon ısı transferinin ve farklı Schmidt sayılarının akış alanına etkisi de araştırılmıştır. Farklı kombinasyonların akış alanına etkisi sistematik bir şekilde yanma odasının merkezi kesitinden alınan hız-sıcaklık konturları ve 5 farklı gözlem çizgileri üzerindeki hız- sıcaklık profilleri ile gösterilmiştir. Çalışmadan elde edilen verilere göre, literatürde bulunan 4 adımlı bir reaksiyon mekanizması ile birlikte kullanılan finite rate/eddy
 dissipation yanma modeli sıcaklık alanını tahmin etme kapasitesini arttırmıştır. Bu kombinasyon özellikle Line 2 ve Line 3 grafiklerinde gösterilen sıcaklık profillerindeki salınım bölgelerini yakalayarak, deneysel verilerle uyumlu sonuçlar vermiştir. Bu durum mevcut çalışmayı, Harwell yanma odası için daha önce yapılan çalışmalardan önemli ölçüde farklı kılmaktadır.

Abstract:
In this study, turbulent reaction flow in a cylindrical furnace containing a non-premixed swirling flame has been investigated numerically. Flow volume corresponding to 60° slice of the combustion chamber has been created using the SpaceClaim program. Three different solution meshes containing polyhedral cells have been produced by Workbench Meshing and the grid independence study has been carried out. In addition to the convergence of residuals, the convergence of velocity and temperature values on measurement points created in the combustion chamber has been shown with graphs based on iteration. Combinations being composed of different turbulence, combustion and reaction mechanisms using the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach have been compared with experimental results. In addition, the effect of radiation heat transfer and different Schmidt numbers on the flow field has been investigated. The effect of different combinations on the flow field is systematically shown with velocity- temperature contours taken from the central section of the furnace and velocity- temperature profiles on five different observation lines. According to the results obtained from study, the finite rate/eddy dissipation combustion model employed with a 4-step reaction mechanism in literature has increased capacity to predict temperature field. By capturing this combination, especially the oscillation regions in temperature profiles shown in Line 2 and Line 3 graphs, has presented consistent results with experimental data. This situation makes the present study significantly different from previous studies conducted for the Harwell combustion chamber.