Effects of different combustion chamber geometries on turbulent flame speed
Turbulans alev hızında farklı yanma odası geometrilerinin etkisi
Yazar: SAADET ATAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İçten yanmalı motorlara sahip araçlar, hızlı ve güvenli bir ulaşım sağladığı için insan hayatında önemli bir konuma sahipler. Her ne kadar hibrid motorlar ya da elektrik motorları gibi yeni alternatifler ön plana çıksa da, içten yanmalı motorlar otomotiv, havacılık ve deniz endüstrisinde lider durumda. Birçok endüstride lider konumda olmasına rağmen, motor geliştirme çalışmaları devam ediyor. Çevreyi temiz tutma ve yüksek performans sağlama konuları, içten yanmalı motorlar için hala zorluğunu koruyan konular olmaya devam ediyor.
Emisyon regülasyonlarındaki kısıtlamalar ve sürücülerin yüksek performans beklentileri, içten yanmalı motorlarda yanma olayının araştırılmasının zorunluluğunu ortaya koyuyor. Alev ilerlemesi, özellikle türbülanslı alev ilerlemesi, yanma olayında kimyasal reaksiyonlar için önemli bir konu. Bu konu ile ilgili çalışmalar sadece akademik sevide değil, aynı zamanda endüstriyel seviyede de devam ediyor. 70 yıldan fazla süren çalışmalarda türbülans için kesin bir sonuç bulunamadı. 
İçten yanmalı motorlarda, alev ilerlemesi ile ilgili çalışmalar sadece motor ile sınırlı kalmıyor ve çeşitli yanma deneyleri ile de çalışmalar devam ediyor. Bu deneyler daha çok akademik arenada kendisini gösteriyor. Yanma çalışmalarının yapıldığı deney düzeneklerinden biri Robert Bunsen icadı olan Bunsen ocağı deneyleridir. Bunsen ocağı laminar alev ilerlemesi ile ilgili çalışmalarına yaptığı katkılar kadar türbülanslı yanma konularına da büyük katkı sağlamıştır. Bunsen ocağında ön karışımlı yakıt-hava karışımı gaz lülesinden geçerek tüpün en üst kısmında buji yardımıyla ile ateşleme yapılarak yanma başlatılıyor ve alev ilerlemesi ile ilgili bilgiler toplanıyor. Bir diğer deneysel çalışma olan sabit hacimli bomba deney düzenekleri de alev ilerlemesi konusunda akademik açıdan büyük katkı sağlamıştır. Bu deney düzeneklerinde hava – yakıt karışımı sabit hacimli yanma odasına gönderiliyor ve buji yardımıyla ilk ateşleme yapılarak yanma başlatılıyor ve çeşitli gözlem düzenekleri ile alevin ilerlemesi inceleniyor. 
Çeşitli deney düzenekleri ile gerçekleştirilen yanma farklı gözlem metotları ile analiz edilebiliyor. Bu yöntemler özellikle türbülanslı alev karakteristiğinin analizi için araştırmalara büyük katkı sağlıyor. Bu metotlardan bir tanesi alevin fotoğrafının çekilmesi yöntemidir. Hava – yakıt karışımı ilerlerken alevin fotoğrafı çekilir ve alevin yoğunluğunun etkisi ile (Schlieren Metodu) ya da yanma odasına ilave edilen yakıt – hava karışımıyla tepkimeye girmeyen ilave gaz parçacıklarının ışın yayma özellikleri ile (Mie Saçıkma Metodu) alev ilerlemesi gözlemlenebiliyor. Türbülans çalkantı hızı, çevri büyüklüğü, alev şekli gibi parametreler bu yöntemler ile ölçülebiliyor. Ölçülen türbülans karakteristik dataları kullanılarak, türbülanslı alev hızı hesaplanabiliyor. Türbülanslı alevin ilerlemesini incelemek için diğer bir yöntem de basınç artışının ölçülmesi yöntemi. Bu yöntemde sabit hacimde, yanan kütle oranın, basınç artışı oranına eşit olduğu kabul edilir. Bu yaklaşımla türbülanslı alev hızı hesaplanabilir.
Deneysel çalışmaların yanında çeşitli bilgisayar programları yardımıyla da alev ilerlemesi modellenebiliyor. Bu simülasyon programlarının en bilindikleri DNS (Direct Numerical Simulation) ve LES (Large Eddy Simulation). Bu metotlar Navier-Stokes denkeleri kullanarak akış ile ilgili modelleri oluşturuyor. LES yöntemi küçük uzunluk skalalrının (small lenght scales) hesabını low-pass filtreler yardımıyla hesaplayarak model analiz süresini ve ilave maliyeti DNS yöntemine göre azaltıyor. Dolayısıyla LES yöntemi akış, yanma, akustikte ses dalgası ilerlemesi gibi çok çeşitli alanlarda kullanılıyor.
Bu çalışmada, türbülans alev hızları, artan basınç etkisi kullanılarak çeşitli yanma odası geometrileri için ele alındı. Yanma odası geometrilerinin türbülanslı alev üzerindeki etkisi karşılaştırıldı. Ayrıca çeşitli sıkıştırma oranlarında deneyler yapılarak, sıkıştırma oranının türbülanslı alev ilerlemesi üzerindeki etkileri çalışıldı. Stokiometrik ve fakir karışımın türbülans üzerindeki etkileri araştırıldı. 
Ayrıca bu çalışma alev ilerlemesi basınç datası kullanılarak iki farklı şekilde hesaplandı. Bu hesaplamalardan biri literatürde sabit hacimli bomba deneylerinde kullanılan basınç artış oranın yanmış karışım oranına eşit olduğu kabulü ile yapılan hesaplamalar. Bir diğeri de alev küresel olarak ilerlediği ve termodinamik kanunlar yardımıyla alev hacminin hesaplanması ve bu hacim yardımıyla alev ilerleme hızının çıkarılmasıdır. Termodinamik yasalar yardımıyla hazırlanan model ile alev hızının içten yanmalı motor deneyleri sonucu elde edilmesi kolay olan basınç gibi datalarla hesaplayarak yanma hakkında bilgi sağlanması amaçlanmaktadır. İki farklı yöntemin karşılaştırılması yapılmıştır.

Abstract:
Vehicles which are produced conventional internal combustion engine (ICE) are important for making transportations fast and safety. However the new alternatives assert such as hybrid engines or plug-in electric motors, ICE leads to automotive, aviation and marine industry. But at the same time, it keeps up development. Especially, keeping clean the environment and getting high performance are the most challenging area for ICE. 
The more challenging requirements are developed such as more restriction of emission regulation and driver request on performance. Therefore ICE combustion process is needed to investigate. Flame propagation is as important as chemical reaction in the combustion. Not only academicians but also automotive industries work on to find new solutions for flame propagation phenomena. More than 70 year, studies have proceeded and there is not found a certain result about turbulence phenomena. 
Different type of methods are used to analyze turbulent flame characteristic. One of them is flame photography method. Flame propagation geometry is taken picture while burned fuel – air mixture is expanding.  The data which is turbulent fluctuation, the size of eddy, the shape of flame can be measured with the help of this method. Also turbulent flame speed can be calculated using the measured characteristic of turbulent data. Another method to investigate turbulent flame propagation is the rising pressure measurement. The burned mass fraction is assumed to equal rising pressure fraction. According to this approach, turbulent flame speed can be calculated.
In this study, turbulent flame propagation was studied as the effect of pressure rise in the single cylinder gasoline engine with different type of combustion chamber geometry. The effect of combustion chamber geometry on the turbulent flame was compared. Also experiments were performed at different compression ratios and influence of the compression ratio on the turbulent flame propagation was studied. Stoichiometric and lean mixture combustion on the turbulence was investigated, too.