Multi-objective optimization of swirl burner with premixed ammonia/hydrogen flame
Ön karışımlı amonyak/hidrojen alevine sahip girdaplı yakıcının çok hedefli optimizasyonu
- Tez No: 1001824
- Danışmanlar: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Alternatif yakıtlar, Gaz emisyonu, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Sayısal akışkanlar dinamiği, Sıfır emisyon, Türbülanslı yanma, Çok kriterli optimizasyon, Alternative fuels, Gas emission, Computational fluid dynamics (HAD), Computational fluids dynamic, Zero emission, Turbulent combustion, Multi criteria optimization
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, karbon içermeyen bir enerji taşıyıcısı olarak öne çıkan amonyağın hidrojenle karıştırılarak yakıldığı bir ön karışımlı girdaplı yakıcının sayısal olarak incelenmesi, doğrulanması ve optimize edilmesi amaçlanmıştır. Temel hedef; sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçiş sürecinde öne çıkan amonyağın, endüstriyel uygulamalarda çevre dostu, güvenli ve verimli şekilde kullanılabilmesi için gerekli tasarım kriterlerini ortaya koymaktır. Literatürde amonyak-hidrojen karışımlarının yanma özelliklerine dair birçok çalışma bulunmaktadır. Ancak bu çalışmaların çoğu ya yalnızca deneysel sınırlarda kalmış ya da sayısal modelleme ile kısıtlanmıştır. Bu çalışma, HAD temelli yaklaşımı, deneysel verilerle detaylı validasyonu ve çok hedefli optimizasyonu aynı çatı altında birleştirerek literatürdeki boşluğu doldurmayı hedeflemektedir. Çalışmanın özgünlüğü HAD, validasyon ve optimizasyon entegrasyonuyla ortaya konulmaktadır. Amonyağın küresel enerji stratejilerindeki rolü son yıllarda belirgin şekilde artmıştır. Özellikle karbon emisyonlarının azaltılması ve hidrojen ekonomi zincirinin oluşturulması aşamalarında amonyak taşınabilirlik, depolama kolaylığı ve karbon içermemesi nedeniyle stratejik bir enerji taşıyıcısı olarak değerlendirilmektedir. Amonyağın mevcut ticari ölçeğe ulaşmış üretim altyapısı ve taşımacılık sistemleri, hidrojenin karşılaştığı depolama ve lojistik engellerin önemli bir kısmını ortadan kaldırmaktadır. Bu nedenle birçok ülkede amonyak, hidrojen ekonomisinin erken dönem geçiş yakıtı olarak konumlandırılmakta ve karbon-nötr sistemlere geçişte kritik bir rol üstlenmektedir. Likit halde taşındığında birim hacimde yüksek hidrojen içeriği sunması ve kolay depolanabilir olması, onu özellikle endüstriyel ısıtma, kazan sistemleri ve içten yanmalı motorlar gibi çeşitli enerji uygulamaları için çekici bir seçenek haline getirmektedir. Hidrojenin kriyojenik koşullarda depolanması veya yüksek basınçlı tanklar gerektirmesi önemli bir mühendislik zorluğu iken, amonyak atmosfer basıncına yakın düşük sıcaklıklarda sıvılaştırılabildiği için daha düşük maliyetli ve daha güvenli bir dağıtım altyapısı sunmaktadır. Bununla birlikte, amonyağın düşük reaksiyon hızı, uzun tutuşma gecikmesi, yüksek NOx oluşumu ve yanmamış amonyak salınımı gibi dezavantajları, özellikle saf amonyak alevlerinde kararlılığı ve çevresel performansı olumsuz etkileyen önemli sınırlamalardır. Bu nedenle, amonyak-hidrojen karışımlarının kullanıldığı yakıcı sistemlerinin uygun geometriler, uygun karışım oranları ve doğrulanmış kinetik mekanizmalar ile detaylı olarak değerlendirilmesi gerekmektedir. Özellikle NOx oluşumu, amonyak temelli yanma sistemlerinde en kritik çevresel parametrelerden biridir. NOx hem güçlü bir hava kirleticidir hem de toksikolojik açıdan tehlikeli bir bileşiktir. Amonyak yakıldığında özellikle yüksek sıcaklık ve oksijen fazlalığı içeren bölgelerde NOx oluşumunu hızlanmaktadır. Bu nedenle amonyak-hidrojen karışımlarında hem alev şeklinin hem de ısı salınımının kontrol edilmesi, çevresel regülasyonların karşılanması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın kapsamı, soğuk akış doğrulaması, reaksiyonlu akış analizleri, kinetik mekanizma karşılaştırmaları ve çok amaçlı optimizasyon süreçlerini içeren bütünleşik bir sayısal yaklaşımın geliştirilmesi olarak belirlenmiştir. Bu bütünleşik yapı, literatürde farklı çalışmalarda ayrı ayrı ele alınan akış doğrulaması, kimyasal mekanizma değerlendirmesi ve tasarım optimizasyonunun ilk kez aynı amonyak-hidrojen girdaplı yakıcısında birlikte uygulanması açısından özgün bir katkı sunmaktadır. Çalışma boyunca kullanılan tüm modeller ve değerlendirmeler, gerçek ölçekli endüstriyel bir girdaplı yakıcı temel alınarak gerçekleştirilmiş olup sonuçların uygulamaya yönelik geçerliliği artırılmıştır. Tezin ilk aşamasında, literatürde deneysel olarak karakterize edilmiş laboratuvar tipi bir girdaplı yakıcı sistemi sayısal olarak modellenmiş; soğuk akış deneyleri ile sayısal sonuçların doğrulanması hedeflenmiştir. Bu amaçla, halihazırda literatürde de bulunan ve laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirilmiş LDA ölçümleri kullanılmıştır. Girdaplı yakıcılarda alev kararlılığını belirleyen en önemli parametrelerden biri olan merkezi resirkülasyon bölgesinin oluşumu, konumu ve büyüklüğü hem deneysel ölçümlerle hem de HAD çözümleri ile incelenmiştir. Sayısal analizler Converge CFD® yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Soğuk akış HAD analizlerinde, LDA ölçümleri temel alınarak altı farklı türbülans modeli karşılaştırılmış ve ikinci mertebeden k-ω SST tabanlı RANS yaklaşımının deneysel veriyi en iyi şekilde temsil ettiği görülmüştür. Seçilen türbülans modeli, özellikle merkezdeki eksenel hız profillerini doğru tahmin etmekte ve merkez dışındaki türbülans etkilerini başarılı şekilde yansıtmaktadır. Ayrıca, AMR stratejisi kullanılarak çözüm bölgesinde yalnızca akışın karmaşık olduğu bölgelerde çözüm ağı detaylandırılmış, böylece hem çözüm doğruluğu artırılmış hem de hesaplama maliyeti optimize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, soğuk akış modelinin reaksiyonlu çözümler için güvenilir bir temel oluşturduğunu göstermiştir. Reaksiyonlu akış analizlerinde, modelin validasyonunu gerçekleştirmek için, sıcaklık profilleri ve emisyon değerleri referans alınarak Duynslaegher, Nakamura ve Stagni'ye ait üç farklı reaksiyon mekanizması incelenmiştir. Üç farklı kinetik mekanizma test edilmiş ve sonuçlar deneysel literatür ile birlikte değerlendirilmiştir. Karşılaştırmalar sonucunda, Nakamura mekanizması hem sıcaklık dağılımı hem de yanma sonucunda açığa çıkan ürünlerin dağılımı açısından deneysel verilerle en yüksek uyumu sağlamıştır. Ayrıca NOx tahminlerinde Duynslaegher mekanizmasına kıyasla daha gerçekçi sonuçlar üretmiş, NH3 slip oranlarının tahmininde ise özellikle düşük H2 oranlarında daha tutarlı değerler elde edilmiştir. Bu nedenle optimizasyon çalışmasındaki valide yanma analizi modellerinde Nakamura mekanizmasının kullanılması tercih edilmiştir. Özetle optimizasyon modelinin validasyonu hem soğuk akış koşullarında (LDA verileri ile hız karşılaştırması) hem de reaksiyonlu akış koşullarında (alev konumu ve sıcaklık dağılımı karşılaştırması) incelenmiş; her iki durumda da deneysel verilerle iyi uyum sağlandığı görülmüştür. Validasyonu sağlanmış HAD modeli ile girdaplı yakıcının tasarım uzayını sistematik olarak araştırabilmek amacıyla çok amaçlı optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Optimizasyon sürecinde literatürde yaygın olarak kullanılan farklı çok amaçlı optimizasyon algoritmaları değerlendirilmiştir. Ancak sınırlı analiz imkanı, doğrulanmış HAD çalışmalarının yüksek maliyeti ve fiziksel gereklilikler dikkate alındığında; hızlı yakınsama, dengeli çözüm dağılımı ve düşük hesaplama maliyeti gibi avantajları nedeniyle NSGA-II algoritması tercih edilmiştir. Optimizasyon sürecinde dört tasarım parametresi esas alınmıştır: daralma oranı (confinement ratio), kanat sayısı, kanat açısı ve yakıt karışım oranı. Optimizasyon üç farklı amaç fonksiyonu üzerine kurulmuştur: birim kütle yakıt başına düşen özel ısı salınımının artırılması, NO₂ oluşumunun azaltılması ve hidrojen tüketiminin minimize edilmesi. Bu üç hedef birbirleriyle çelişkili olduğundan, en iyi çözümün tek bir tasarım değil, Pareto eğrisi üzerinde yer alan bir çözüm ailesi şeklinde ifade edilmiştir. Başlangıç popülasyonu, incelenecek parametreleri minimum ve maksimum değer aralıklarında kapsayan, rastgele seçilmiş 14 farklı bireyden oluşturulmuştur. Ardından çaprazlama, mutasyon ve sıralama işlemleriyle evrimsel süreç yürütülmüştür. Analiz sayısındaki kısıtlar nedeniyle popülasyon boyutu ve iterasyon sayısı dikkatle dengelenmiştir. Yakıt karışımı optimizasyonunda eşdeğerlik oranı ve toplam termal güç sabit tutulmuş, amonyak-hidrojen hacimsel oranı değiştirilerek yanma karakteristikleri değerlendirilmiştir. Converge CFD® ve Dakota yazılımlarının entegrasyonu sayesinde her aday bireyin HAD analizi otomatik olarak gerçekleştirilmiştir. Tüm bireyler normalize edilerek karşılaştırılmış ve elde edilen Pareto eğrileri tasarım değişkenleri ile hedef fonksiyonlar arasındaki ilişkileri açıkça göstermiştir. Elde edilen sonuçlar, tasarım uzayının bazı bölgelerinde ısı salınımının artırılmasının NO2 oluşumunu kaçınılmaz olarak yükselttiğini; bazı bölgelerde ise düşük NO2 elde edilebilmesi için hidrojen tüketiminin arttığını ortaya koymuştur. Bu durum, amonyak-hidrojen yakıcılarda yüksek verimli, düşük emisyonlu ve düşük hidrojen tüketimli bir tasarım elde etmenin doğası gereği çok amaçlı bir dengeleme gerektirdiğini açıkça göstermektedir. Optimizasyonda ele alınan tasarım parametreleri yakıcının fiziksel davranışı üzerinde doğrudan etkili olduğundan, her bir değişkenin tasarım uzayını nasıl şekillendirdiği ayrıca değerlendirilmiştir. Daralma oranı (confinement ratio), özellikle girdap yoğunluğunu ve resirkülasyon bölgesinin büyüklüğünü belirlediği için alev stabilitesi ve NO2 oluşumu üzerinde kritik rol oynamaktadır. Daralma oranının artması, akışın merkezine geri dönen sıcak ürün miktarını artırarak alev kökünde daha yüksek sıcaklıklar oluşturmakta; bu durum spesifik ısı salınımını ve NO2 oluşumunu etkileyebilmektedir. Kanat sayısı ve kanat açısı ise girdap yoğunluğunu ve karışım kalitesini belirleyen temel geometrik parametrelerdir. Özellikle yüksek kanat açılarında girdap sayısının artması, karışımın homojenleşmesini kolaylaştırırken aynı zamanda reaksiyon zonunun daha geniş bir alana yayılmasına sebep olabilmektedir. Bu etki ısı salınımını ve NO2 miktarını değiştirici bir mekanizma olarak da ortaya çıkmaktadır. Yakıt karışım oranının optimizasyon sürecindeki rolü de çalışmanın önemli bulgularından biridir. Amonyak-hidrojen karışımlarında hidrojen oranının artırılması genellikle reaksiyon hızlarını yükseltmekte ve yanmayı kararlı hale getirmektedir. Ancak bu durum hidrojen tüketimini artırarak ekonomik ve sürdürülebilirlik açısından dezavantaj yaratabilmektedir. Bu nedenle hidrojen oranının optimize edilmesi, yalnızca performans açısından değil, aynı zamanda sistemin operasyonel maliyeti açısından da önem taşımaktadır. Optimizasyon bulguları, yalnızca performans odaklı bir yaklaşım ile hidrojen tüketiminin azaltılmasına yönelik bir yaklaşımın tasarım uzayında oldukça farklı bölgeleri işaret ettiğini göstermiştir. Bu nedenle Pareto front elde edilmesi, hedef önceliklerine göre seçim yapma özgürlüğü sağlamaktadır. Optimizasyon sonuçlarına göre fiziksel olarak uygulanabilir en iyi çözüm D052 olarak belirlenmiştir. D052, spesifik ısı salınımı açısından yüksek performans sunarken NO2 oluşumunu da kabul edilebilir seviyelerde tutmakta ve makul düzeyde hidrojen tüketimi sağlamaktadır. Çalışmanın sonraki adımlarında gerçekleştirilen sıcaklık ve basınç parametre incelemeleri de bu tasarım üzerinden yürütülmüştür. Son kısımda giriş sıcaklığı ve giriş basıncı gibi sınır koşullarının D052 üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu analizler endüstriyel sistemlerde değişken sınır koşulları altında alev davranışının nasıl değiştiğini anlamak açısından kritiktir. Giriş sıcaklığının artırılması alev kararlılığını güçlendirmiş, reaksiyon bölgesini genişletmiş ve ısı salınımını yükseltmiştir. Buna karşın giriş basıncının artırılması NO2 oluşumunu belirgin şekilde artırmış; bu durum yüksek basınçlı sistemlerde amonyak-hidrojen karışımlarının daha dikkatli kontrol edilmesi gerektiğini göstermiştir. Ayrıca bu parametre çalışmalarında seçilen D052 geometrisinin düşük emisyonlu ve kararlı yapısının bu tür analizler için uygun bir temel oluşturduğu bir kez daha doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, sistem tasarımı sırasında yalnızca geometri ve yakıt değil, sınır koşullarının da dikkatle kontrol edilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Sıcaklık artışının belli bir değerden sonra NOx oluşumunu arttırması gelecek çalışmalarda optimum giriş sıcaklığının belirlenmesi gerektiğini göstermiştir. Giriş basıncının etkisi ise sıcaklık parametresinden daha belirgin bir kimyasal hassasiyet göstermiştir. Basınç artışı özellikle NO₂ oluşum mekanizmalarını hızlandırmış; çünkü basınç arttıkça moleküller arası çarpışma sıklığı artmakta ve NOx'e dönüşen ara türlerin reaksiyon hızları yükselmektedir. Bu nedenle yüksek basınçlı sistemlerde nominal olarak düşük hidrojen içeren karışımlar bile belirgin düzeyde NO₂ üretme eğilimindedir. Bu bulgu, özellikle yüksek basınçta çalışan ekipmanlarda amonyak-hidrojen karışımlarının dikkatle optimize edilmesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca basınç artışı, reaksiyon zonunun daha dar bir alanda oluşmasına neden olmuş ve bu durum türbülans-kimya etkileşimlerini önemli ölçüde değiştirmiştir. Bu fiziksel davranışın sayısal sonuçlarla tutarlı şekilde yakalanması, kullanılan yanma modelinin yüksek basınç koşullarındaki güvenilirliğini de ortaya koymuştur. Bu analizlerin bir diğer önemli çıktısı, işletme koşullarının geometrik optimizasyon kadar kritik olduğunun görülmesidir. Tasarım sürecinin yalnızca geometri veya yakıt karışımına odaklanması yeterli değildir; giriş basıncı, sıcaklığı ve genel işletme penceresi de minimum NO2, yüksek kararlılık ve yüksek verim için mutlaka eş zamanlı optimize edilmelidir. Bu nedenle amonyak-hidrojen karışımlarının gelecekteki endüstriyel uygulamalarında adaptif kontrol stratejilerinin ve işlem koşuluna bağlı çalışan geri beslemeli yanma kontrol sistemlerinin gerekli olabileceği öngörülmektedir. Sonuç olarak bu tez amonyak-hidrojen karışımlarının girdaplı yakıcılardaki yanma davranışını bütünsel bir şekilde ele alan özgün bir sayısal çerçeve sunmaktadır. Soğuk akış doğrulaması, deneysel veriler ile yüksek uyum göstermiş; reaksiyonlu akış analizleri sıcaklık profilinin doğru temsil edildiğini ortaya koymuş; çok amaçlı optimizasyon ise farklı uygulamalara yönelik yeni tasarım önerileri sunmuştur. Modelin sağladığı bilgiler, gelecekteki amonyak yakıtlı sistemlerin daha verimli, daha düşük emisyonlu ve daha güvenli şekilde tasarlanmasına katkıda bulunabilir. Özellikle NO2 oluşumunun kontrol edilebilmesi, sürdürülebilir yanma teknolojileri açısından kritik bir gereklilik olup, bu çalışmada elde edilen bulgular bu konuda önemli bir zemin sunmaktadır. Toplamda ortaya konan yaklaşım, amonyağın düşük karbonlu enerji sistemlerine entegrasyonunda somut bir adım olup; uygun karışım, dengeli geometri ve dikkatli işletme stratejileriyle yüksek performanslı, çevre dostu yanma çözümlerine giden yolu açmaktadır. Bu çalışma ayrıca amonyak-hidrojen yakıcıları için kullanılan kinetik mekanizmaların geliştirilmesi gerektiğini, mevcut RANS tabanlı türbülans modellerinin bazı durumlarda yetersiz kalabileceğini ve ileri seviye türbülans modellerinin daha doğru sonuçlar sağlayabileceğini göstermiştir. Gelecekte yapay zeka destekli optimizasyon yöntemlerinin kullanımı, kompleks mekanizmaların daha hızlı çözülmesine ve karmaşık tasarım uzaylarının daha verimli şekilde araştırılmasına olanak sağlayabilir. Ayrıca LES, DNS veya hibrit modellerin uygulanması, türbülans-kimya etkileşimlerinin daha ayrıntılı incelenmesine katkıda bulunacaktır. Uzun vadede geliştirilecek yüksek doğruluklu sayısal modeller, amonyak temelli yanma sistemlerinin endüstriyel ölçekte yaygınlaşmasını hızlandırabilir ve enerji sektöründe karbon azaltımına önemli bir katkı sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the objective is to numerically investigate, validate, and optimize a premixed ammonia-hydrogen swirl burner. The fundamental goal is to establish the necessary design criteria that would allow ammonia, which is gaining prominence in the transition toward sustainable energy resources, to be used in industrial applications in an environmentally friendly, safe, and efficient manner. Although the literature includes numerous studies on the combustion characteristics of ammonia–hydrogen blends, most of these investigations remain either experimentally limited or constrained solely to numerical modeling. This study aims to fill this gap by combining a CFD-based approach, detailed validation with experimental data, and multi-objective optimization within a single unified framework. The originality of the work arises from the integration of CFD, validation, and optimization. The role of ammonia in global energy strategies has increased significantly in recent years. Particularly in the processes of reducing carbon emissions and establishing the hydrogen economy chain, ammonia is considered a strategic energy carrier due to its transportability, ease of storage, and carbon-free nature. Its existing large-scale production infrastructure and transportation network help overcome many of the storage and logistical challenges associated with hydrogen. For this reason, ammonia has been positioned as an early-stage transition fuel in the hydrogen economy in many countries, playing a critical role in the shift toward carbon-neutral systems. When transported in liquid form, its high hydrogen content per unit volume and ease of storage make it an attractive option for various energy applications, especially industrial heating, boiler systems, and internal combustion engines. While hydrogen requires either cryogenic storage or high-pressure tanks, ammonia can be liquefied at temperatures close to atmospheric pressure, enabling a less costly and safer distribution infrastructure. However, ammonia's slow reaction rate, long ignition delay, high NOx formation tendency, and unburned ammonia emissions constitute major drawbacks, particularly in pure ammonia flames, where they adversely affect flame stability and environmental performance. Therefore, burner systems that employ ammonia–hydrogen blends must be evaluated in detail with appropriate geometries, suitable mixing ratios, and validated kinetic mechanisms. In particular, NOx formation is one of the most critical environmental parameters in ammonia-based combustion systems. NOx is both a strong air pollutant and toxicologically hazardous. In ammonia combustion, NOx formation intensifies especially in regions with high temperature and excess oxygen. Hence, controlling the flame shape and heat-release profile in ammonia–hydrogen blends is of great importance to meet environmental regulations. The scope of this study is defined as the development of an integrated numerical approach involving cold-flow validation, reacting-flow analyses, kinetic mechanism comparisons, and multi-objective optimization. This integrated structure provides a unique contribution, as cold-flow validation, chemical mechanism evaluation, and design optimization—typically treated separately in different studies—are applied together for the first time in the same ammonia–hydrogen swirl burner. All models and evaluations used throughout the study were conducted based on a real-scale industrial swirl burner, thereby increasing the practical relevance of the results. In the first stage of the thesis, a laboratory-scale swirl burner system characterized experimentally in the literature was modeled numerically, aiming to validate the numerical results using cold-flow experiments. For this purpose, LDA measurements available in the literature and obtained at laboratory scale were used. The formation, location, and size of the central recirculation zone—one of the most important parameters determining flame stability in swirl burners—were examined using both experimental data and CFD solutions. The numerical analyses were performed using Converge CFD®. In the cold-flow CFD analyses, six different turbulence models were compared based on LDA measurements, and the second-order k–ω SST-based RANS approach was found to best represent the experimental data. The selected turbulence model accurately predicted axial velocity profiles near the center and successfully captured turbulence characteristics away from the center. Moreover, by applying an AMR strategy, the mesh was refined only in regions with complex flow features, improving accuracy while reducing computational cost. The results demonstrated that the cold-flow model provides a reliable foundation for the reacting-flow solutions. In the reacting-flow analyses, three different reaction mechanisms—Duynslaegher, Nakamura, and Stagni—were examined based on temperature profiles and emission values to validate the model. Comparisons of these kinetic mechanisms were made alongside experimental literature. Among them, the Nakamura mechanism exhibited the highest agreement with experimental data in terms of both temperature distribution and product species profiles. Additionally, it produced more realistic predictions of NOx compared to the Duynslaegher mechanism and yielded more consistent NH₃ slip predictions, particularly at low H₂ fractions. Therefore, the Nakamura mechanism was selected for the validated combustion analysis models used in the optimization phase. In summary, the validation of the optimization model was assessed under both cold-flow conditions (velocity comparison with LDA data) and reacting-flow conditions (comparison of flame location and temperature distribution), and good agreement with experimental measurements was achieved in both cases. A multi-objective optimization model was developed to systematically explore the design space of the swirl burner using the validated CFD model. Different multi-objective optimization algorithms commonly used in the literature were evaluated. Considering the limited number of analyses, the high cost of validated CFD computations, and physical requirements, the NSGA-II algorithm was selected due to its advantages such as rapid convergence, balanced solution distribution, and low computational cost. Four design parameters were considered in the optimization: confinement ratio, vane number, vane angle, and fuel blend ratio. The optimization was based on three objective functions: increasing specific heat release per unit mass of fuel, reducing NO₂ formation, and minimizing hydrogen consumption. Since these three objectives conflict with one another, the best design is not represented by a single solution but rather by a family of solutions located along the Pareto front. The initial population consisted of 14 randomly selected individuals, each defined within the minimum and maximum allowable parameter limits. Evolutionary processes including crossover, mutation, and ranking were then applied. Due to limitations on the number of analyses, the population size and number of iterations were carefully balanced. In the fuel-mixing optimization, the equivalence ratio and total thermal power were kept constant, while the volumetric ratio of ammonia–hydrogen was varied to evaluate combustion characteristics. With the integration of Converge CFD® and Dakota, CFD analyses for all candidate individuals were executed automatically. All individuals were normalized and compared, and the resulting Pareto fronts clearly illustrated the relationships between design variables and objective functions. The results showed that in some regions of the design space, increasing heat-release rate inevitably increased NO₂ levels, whereas in other regions, obtaining low NO₂ required higher hydrogen consumption. This clearly demonstrates that achieving a high-efficiency, low-emission, and low-hydrogen-consuming design in ammonia–hydrogen burners inherently requires multi-objective trade-offs. Because the design parameters addressed in the optimization directly influence the physical behavior of the burner, the manner in which each parameter shaped the design space was also evaluated. The confinement ratio plays a critical role in flame stability and NO2 formation because it determines swirl intensity and the size of the recirculation zone. Increasing the confinement ratio enhances the mass of hot products recirculated toward the burner center, raising temperatures in the flame root and influencing both specific heat release and NO₂ formation. The vane number and vane angle are fundamental geometric parameters that determine swirl strength and mixing quality. Particularly at high vane angles, an increase in swirl frequency promotes mixture homogenization but also broadens the reaction zone, which in turn affects heat release and NO₂ emissions. The role of the fuel blend ratio in the optimization is also one of the significant findings of the study. Increasing the hydrogen fraction in ammonia–hydrogen blends typically elevates reaction rates and stabilizes combustion. However, this also increases hydrogen consumption, posing disadvantages from economic and sustainability standpoints. Therefore, optimizing the hydrogen fraction is essential not only for performance but also for operational cost. The optimization results revealed that a performance-oriented approach and an approach targeting reduced hydrogen consumption correspond to substantially different regions of the design space. Thus, the presence of a Pareto front provides flexibility to select a solution based on user-defined priorities. According to the optimization results, the best physically feasible solution was identified as D052. It offers high performance in terms of specific heat release while keeping NO2 emissions at acceptable levels and ensuring reasonable hydrogen consumption. In the final part, the effects of boundary conditions such as inlet temperature and inlet pressure on D052 were evaluated. These analyses are critical for understanding how flame behavior changes under varying operating conditions in industrial systems. Increasing inlet temperature strengthened flame stability, expanded the reaction zone, and elevated heat release. In contrast, increasing inlet pressure significantly increased NO2 formation, indicating that ammonia–hydrogen blends in high-pressure systems require more careful control. The parametric studies confirmed that the low-emission and stable characteristics of D052 make it a suitable reference geometry for such analyses. The results demonstrate that system design must carefully consider not only geometry and fuel composition but also boundary conditions. The observation that NOx formation increases beyond a certain inlet temperature suggests the need for determining an optimal inlet temperature in future studies. The influence of inlet pressure exhibited an even more pronounced chemical sensitivity than temperature. Pressure increase accelerated NO₂ formation mechanisms, as higher pressure increases molecular collision rates and elevates reaction rates of intermediate species that convert to NOx. Therefore, even mixtures with nominally low hydrogen content tend to produce substantial NO₂ under high-pressure conditions. This finding indicates that ammonia–hydrogen blends must be optimized particularly carefully for systems operating at elevated pressures. Moreover, increasing pressure narrowed the reaction zone, significantly altering turbulence–chemistry interactions. The accurate numerical capture of this physical behavior demonstrates the reliability of the combustion model under high-pressure conditions. Another important outcome of these analyses is the observation that operating conditions are as critical as geometric optimization. Focusing solely on geometry or fuel composition during design is insufficient; inlet pressure, inlet temperature, and the overall operating window must also be optimized simultaneously to achieve minimum NO2, high stability, and high efficiency. Therefore, future industrial applications of ammonia–hydrogen blends may require adaptive control strategies and feedback-based combustion control systems tailored to operating conditions. In conclusion, this thesis presents a unique numerical framework that holistically examines the combustion behavior of ammonia–hydrogen blends in swirl burners. Cold-flow validation showed strong agreement with experimental data; reacting-flow analyses demonstrated accurate prediction of temperature profiles; and multi-objective optimization generated new design recommendations for various applications. The insights provided by the model may contribute to the design of future ammonia-fueled systems that are more efficient, lower in emissions, and safer. Controlling NO2 formation is a critical requirement for sustainable combustion technologies, and the findings of this study provide an important foundation in this regard. Overall, the proposed approach constitutes a concrete step toward integrating ammonia into low-carbon energy systems, paving the way for high-performance and environmentally friendly combustion solutions through appropriate blending strategies, balanced geometry, and carefully managed operational conditions. This study also highlights the need for further development of kinetic mechanisms used for ammonia–hydrogen burners, as well as the limitations of existing RANS-based turbulence models, which may be insufficient in certain cases. Advanced turbulence models may yield more accurate results. In the future, the use of AI-assisted optimization methods may allow faster evaluation of complex mechanisms and more efficient exploration of intricate design spaces. Moreover, the application of LES, DNS, or hybrid models may contribute to a deeper understanding of turbulence–chemistry interactions. In the long term, the development of high-fidelity numerical models may accelerate the industrial adoption of ammonia-based combustion systems and significantly contribute to carbon reduction in the energy sector.
Benzer Tezler
- Development and validation of a CFD based optimization framework for hydrogen-fueled heavy duty internal combustion engine
Hidrojen yakıtlı ağır hizmet içten yanmalı motorlar için CFD tabanlı bir optimizasyon yapısının geliştirilmesi ve doğrulanması
MURAT ÖZKARA
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ZAFER GÜL
- Çoklu amaçların çözümlemesinde amaç programlaması ile genelleştirilmiş ters yaklaşımı ve yem sanayiinde bir uygulama
Goal programming and generalieed inverse approaches in the multi-objective analysis and application in feed industry
HASAN BAL
- Oditoryumlarda akustik önlemler ve çoklu kullanım
Accoustical precautions and milti purpose usage of auditorums
ÇİĞDEM YÜCEL
- Toprak ve tarım reformu uygulamasında öncelikli köylerin tesbitine ilişkin bir yöntem uygulaması
Başlık çevirisi yok
SABİR ATASEVER
- Kalkınmada öncelikli yörelerde görev yapan vali-kaymakam il ve ilçe Milli Eğitim Gençlik ve Spor Müdürlerinin ilköğretim yönetiminde karşılaştıkları güçlükler
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA YALÇINKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Eğitim ve ÖğretimGazi ÜniversitesiEğitim Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL ATAMAN