Düşük sıcaklıklı içten yanmalı motorlarda h2o2 ve ho2 dağılımının deneysel ve sayısal yöntemler ile incelenmesi
Investigation of h2o2 and ho2 distribution in low temperature internal combustion engines with using experimental and analytical methods
Yazar: GÖKHAN COŞKUN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada düşük sıcaklıklı içten yanmalı bir motorda yanma anındaki hidrojen peroksit (H2O2) ve hidroperoksil (HO2) ´ in oluşumu için deneysel görüntülenmiş olan veriler detaylı olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmayı desteklemek ve her iki kimyasal bileşenin oluşum mekanizmalarını daha detaylı inceleyebilmek için iki farklı yazılım kullanılarak motor yanması modellenmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD–computational fluid dynamics (CFD)) ve stokhastik reaktör model (SRM) motor yanmasının modellenmesinde kullanılan sayısal yöntemlerdir. Her iki sayısal yöntemde de HCCI yanmasını modellemek için aynı kimyasal kinetik mekanizma kullanılmıştır. Analiz sonuçlarından elde edilen silindir için basınç ve ısı dağılım oranının krank açısına göre değişimi deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır.  Deneysel verilerin alındığı lazer yüzey alanı aynı konum ve ölçülerde CFD modelinden elde edilmiş ve deneysel H2O2+HO2 verilerin görsel sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. H2O2 ve HO2 kütle oranları için olasılık yoğunluk fonksiyonu (probability density function (PDF)) yöntemini kullanarak deneysel veriler ile CFD analiz sonuçları karşılaştırılabilmiştir. CFD ve SRM analizleri ile elde edilen H2O2 kütle oranı verileri için de yine ayrı birer PDF grafikleri oluşturulmuş ve böylece her iki sayısal yöntemin hassasiyeti incelenmiştir.
CFD yöntemiyle yapılan yanma analizlerinde iki farklı türbülans modeli kullanılmıştır. Ortalama türbülans çözümü yapan Reynolds-averaged navier-stokes (RANS) modelinin yanı sıra çok daha detaylı gerçekçi türbülans çözümü yapabilen büyük girdap benzeşim yöntemi (large eddy simulation (LES)) modeli ile analizler tekrarlanmıştır. Deneysel olarak elde edilen silindir içi ortalama basınç, ısı dağılım oranı ve H2O2+HO2 değerleri LES-CFD modelleme yönteminden elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Yine lazer yöntemi kullanılarak elde edilen görsel veriler LES-CFD sonuçları ile karşılaştırılmıştır. LES türbülans modeliyle elde edilen sonuçların RANS türbülans modeline göre basınç ve ısıl dağılım oranı bakımından daha tutarlı olduğu anlaşılmıştır. Fakat LES türbülans modelinde deneysel ve RANS-CFD sonuçlarına göre H2O2 ve HO2 oluşum zamanlarının yaklaşık 5 °KA geciktiği görülmüştür. H2O2+HO2 kütle oranları için çizdirilen PDF grafiklerinden anlaşıldığı üzere LES türbülans modeli ile elde edilen verilerin RANS türbülans modeline göre daha geniş bir aralıkta kümelendiği ve deneysel çalışmaya daha yakın olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study experimentally determined hydrogen peroxide (H2O2) and hydroperoxyl (HO2) species in a low temperature internal combustion engine were investigated. To validate the experimental observations and analyze the formation mechanisms of both species, two different softwares are used to simulate the engine combustion. Computational Fluid Dynamics (CFD) and Stochastic Reactor Model (SRM) were used to simulate the engine combustion. Same chemical mechanism used to model engine combustion in both softwares. Simulation results of in-cylinder pressure and heat release rate depending on crank angle degree were validated against experimental results. Same laser sheet area at the experimental setup were captured from CFD simulations to compare the visual results of H2O2+HO2. At the same time by using Probability Density Function (PDF) of H2O2 and HO2 mass fractions, comparison could be made between experimental data and CFD simulations. Again, H2O2 mass fraction results of CFD and SRM simulations compared using different PDFs and by this way sensitivity of both simulation approach were investigated.
Two different turbulence model were used to model combustion in CFD simulations Reynolds-Avaraged Navier-Stokes (RANS) that solves the average turbulences and Large Eddy Simulation (LES) which can model the turbulence very realistic and detail. Experimentally investigated in-cylinder pressure, heat release rate and H2O2+HO2 results compared with the LES-CFD turbulence model results. LES-CFD results showed better consistency to experimental results than RANS-CFD simulations. However 5 crank angel degree delay were observed for H2O2 and HO2 formation at LES-CFD results than experimental and RANS-CFD simulation. PDF results of H2O2+HO2 mass fractions from LES-CFD simulation accumulated large area than RANS-CFD which shows much better approximation to experimental results.