LPG-oksijen detonasyonlarının bilgisayar destekli ölçüm ve analizi
Computer aided measurement and analysis of LPG-oxygen detonations
- Tez No: 100767
- Danışmanlar: PROF.DR. OĞUZ BORAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Bilgisayar destekli analiz, Detonasyon, LPG, Oksijen, Computer aided analysis, Detonation, Liquefied petroleum gas, Oxygen
- Yıl: 2000
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
LPG-OKSİJEN DETONASYONLARININ BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÖLÇÜM ve ANALİZİ ÖZET Gaz detonasyonlan, ön karışımlı yanabilir gaz karışımlarında, belirli koşullar gerçekleştiğinde görülebilen bir olaydır. Bu nedenle detonasyonlar, kömür ocaklarında olduğu gibi, insanların kontrolü dışmda oluşabilir. Bu gibi durumlarda büyük hasarlar kaçınılmazdır. Bununla beraber, kontrol edilebildiğinde detonasyonların topraktaki mayınların bulunup imha edilmesi gibi askeri uygulamalardan metal levhaların şekillendirilmesine, metallerin seramik veya metal ile kaplanmasına, metallerin kaynak edilmesine ve hipersonik hava araçlarının motorlarına kadar uzanan geniş bir kullanım alam vardır. Bu tezde LPG-oksijen detonasyonlannın hem deneysel hem de sayısal analizi yapılmıştır. Deneysel çalışmalar bir ucu kapalı, üzerinde detonasyon cephesinin hız ve basıncını ölçmede kullanılan duyargaların takılabileceği yerler olan uzun, silindirik bir detonasyon tüpü içerisinde gerçekleştirilmiştir. Yakıt olarak LPG ve yakıcı olarak oksijen kullanılmıştır. Deneysel adımların tamamı bilgisayar tarafından kontrol edilmiştir. Bu tür bir sistem insan kaynaklı hataları en aza indirmektedir. Deney tesisatı dört ana birimden oluşmaktadır: doldurma birimi, test birimi, kontrol birimi ve veri toplama birimi. Doldurma birimi LPG ve oksijen tüpleri, mekanik vanalar, manometreler ve solenoid vanalardan oluşmaktadır. Detonasyon tüpünde deneyden arta kalan gazların bir sonraki deneyi etkilememesi için tüpten atılmalarına yarayan bir hava pompası da bu birime dahildir. Gaz karışımını tutuşturmada kullanılan bujilere gerekli olan elektrik gerilimim temin etmek için bir araba bobini kullanılmıştır. Test birimi detonasyon tüpü, yakıt ve yakıcının detonasyon tüpüne girmeden önce karıştırıldığı karıştırıcı, gaz karışımı ve hava pompasının detonasyon tüpüne bağlandığı yerlerde tek yönlü valfler ve alev söndürücüler ile detonasyon tüpüne takılmış piezoelektrik basınç duyargaları ve iyonizasyon elektrotlarını ve gaz karışımını tutuşturmak için detonasyon tüpünün kapalı ucuna takılan bir bujiyi içerir. Kontrol birimi, deney tesisatının en dikkate değer bölümlerinden birisidir. Bu birim solenoid valfler, bobin ve hava pompasını kontrol eden röle sürücü kartı ile bilgisayardan dışarıya olan tüm sinyal akışım kontrol eden PCL 818 analog/sayısal sinyal dönüştürücü arayüzünü ve gerekli yazılımları da içeren bir bilgisayarı kapsamaktadır. Veri alma birimi basmç sensörü tarafından gönderilen sinyali güçlendiren bir yükseltici, detonasyon cephesinin hızını ölçmede kullanılan bir sinyal devresi, hız sinyal devresi ve basmç duyargalarından sinyal alan ve aldığı sinyali sayısallaştırıp RS 232 arayüzü üzerinden bilgisayara aktaran bir sayısal osiloskoptan oluşmaktadır. xiDeneye ait adımlar aşağıdaki akış diyagramında verilmiştir: LPG ve oksijen vanalarının açılması ve çıkış basınçlarının istenilen değerlere ayarlanması Önceki deneyden kalan artıkları temizlemek için hava pompasının çalıştırılması LPG ve oksijenin detonasyon tüpüne akması için solenoid valflerin açılması Gazların bir biri içerine yayılması ve tüp içerisinde homojen bir karışım oluşması için beklenmesi Osiloskobun istenilen veri alma parametrelerine ayarlanması LPG-oksijen karışımının tutuşturulması Osiloskobun otomatik olarak tetiklenmesi Verilerin almması ve osiloskopta saklanması Verilerin bilgisayara aktarılması Verilerin ASCII koduna çevrilip saklanması Sayısal çalışmalım ilk kısmı detonasyon tüpü boyunca ilerleyen kararlı detonasyon cephesine ait hesaplamaları içermektedir. Bu çözüm bir boyutlu düzlemsel detonasyon cephesi yaklaşımına dayalıdır. Bu yaklaşım genel üç boyutlu korunum denklemlerinin sadeleştirilmesi ve Hugoniot diyagramım baz almaktadır. Korunum denklemleri için yapılan kabuller: bir boyutlu akış, sıfır kütle kuvveti, ihmal edilebilir viskozite, sürekli akış, reaktant ve ürünlerin kendi içlerinde termodinamik dengede olmaları. Yukarıdaki kabuller altında sistemi ifade eden korunum denklemleri: süreklilik denklemi: Pl«l = P2U2 momentumun korunumu denklemi Pl+PlUl = P2+P2Ul (1) (2) XIIenerjinin korunumu denklemi 1 1 cT, +-u, +q = c“T? +-u; ürünler ve reaktantlar için ideal hal denklemi A = PlRTl Ve Pl = PlRT2 (3) (4) Bilinmeyenlerin, uı, U2, P2, T2 ve p2, sayısı denklem sayısmdan fazla olduğundan sistemi kapatabilmek için beşinci bir koşula ihtiyaç vardır. Düzlemsel, bir boyutlu detonasyon cephesinin bu ek özelliği Hugoniot diyagramı incelenerek elde edilmiştir. Hugoniot diyagramı temel olarak Hugoniot eğrisi ve eğriye teğet olan iki tane Rayleigh doğrusundan oluşur. Bu eğri ve doğruları ifade eden ve korunum denklemlerinden elde edilen denklemler, aşağıda verilmiştir: Rayleigh doğrusu ( 2 1 Mı = - A Hugoniot eğrisi r ( vA Ay 1 (5) f r-ıl,A a) 2 --İP2-P1) 1 1 N - + ^A Pı) (6) Hugoniot diyagramı başlangıç şartları verildiğinde bir yanma olayma ait olası tüm sonuçları gösterir. Bu diyagram üzerinde yapılacak dikkatli bir inceleme kararlı, bir boyutlu, düzlemsel detonasyonun ancak üst Chapman- Jouguet noktası olarak bilinen üst teğet noktasında olabileceğini gösterir. Bu noktada detonasyon cephesi ses hızında ilerler, yani Mach sayısı bire eşittir. Bu, denklem sistemini kapatır. Ayrıca çözüm için yakıt ve yakıcı karışımına ait aşağıdaki kimyasal denge modeü kabul edilmiştir: (0.70 C4H10 + 0.30 C3H8) + 6.052 02 o nx02 + n20 + n3H2 + n4H + n5OH + n6H20 + n7CO + n8C02 (7) Kimyasal reaksiyon kısmını çözebilmek için aşağıdaki tek adımlı reaksiyonlar da gereklidir: C02^CO + -02 H20<^H2+-02 X1U2 2 2 2 2 2 2 AH2 + C02 o CH4 + 2H20 Hesaplamalar için kullanılan iteratif yöntem aşağıdaki gibi özetlenebilir: Adım 1 : Verilen başlangıç şartları için adyabatik alev sıcaklığı hesaplanır. Kayıplar ihmal edildiğinde, şok dalgasının ilk karışımı ısıtma eğiliminde olması nedeniyle, adyabatik alev sıcaklığı iterasyon işleminin en küçük sıcaklığı olacaktır. Adım 2: Ürünler için özgül ısıların oram j2 ve ortalama moleküler ağırlık MW2 hesaplanır Adım 3 : Yoğunlukların oranını bulmak için M2- Uv ^ //-.^- = 0 (8) #2^2 J2 ^2 denklemi çözülür. Burada (1/A) = Pı (l/A) A Adım 4: Aşağıdaki denklem kullamlarak ürünlerin basmcı düzeltilir: R2T2 ^Vı (9) Adım 5: Yeni hesaplanan basınç için ürün bileşimi belirlenir. Adım 6: Sonuçların aşağıdaki denklemi sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir: ”F F - l n^T* n2&2 -iiı 1 r* (10) Burada «2 reaktantların ortalama moleküler ağırlığının ürünlerin ortalama moleküler ağırlığına oranıdır. Eğer denklemin her iki yanı eşitse iterasyon tamamlanmıştır; aksi halde ilk adıma dönülür, adyabatik alev sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklık varsayılarak yukarıdaki denklik sağlanıncaya kadar iterasyon adımları tekrarlanır. xıvAdım 7: İterasyon yakınsadığında detonasyon hızı aşağıdaki denklemden bulunur: ux =n. (11) ?\| MW, Yukarıda açıklanan analitik çalışmaya ek olarak, detonasyon tüpünden durağan atmosfere çıkan hipersonik akışın davranışı ANSYS/FLOTRAN paket programı kullanılarak incelenmiştir. XV
Özet (Çeviri)
COMPUTER AIDED MEASUREMENT and ANALYSIS of LPG-OXYGEN DETONATIONS SUMMARY Gas detonation is a phenomenon which occurs in premixed combustible gas mixtures when specific conditions are met. Therefore, it is possible that detonations can occur without the control of human beings, as is the case of explosions in coal mines. In such cases tremendous hazard is unavoidable. However; when controlled, detonations have wide application areas spanning from military utilization areas like finding and destroying field mines to shaping of metal sheets, ceramic or metal coatings of metals, welding of metals and power plants of hypersonic aerial vehicles. In this thesis both experimental and numerical analyses of LPG-oxygen detonations are given. Experimental studies have been carried out in a detonation tube that is a long cylindrical tube closed at one end, and has, along its length, places to plug in the sensors to measure speed and pressure of the detonation wave. LPG was used as the fuel and the oxidizer was oxygen. All steps of the experiments were controlled by a computer. Such a system minimizes the errors caused by humans. Experimental setup consists of four major units: filling unit, test unit, control unit and data acquisition unit. Filling unit includes LPG and oxygen bottles, mechanic valves, manometers, solenoid valves. Also included is an air pump to sweep the detonation tube after each experiment so that the remainings of the burned gases do not affect the next experiment. A car electric discharge unit is used to supply the necessary electric voltage to the spark plug, which ignites the mixture. Test unit consists of detonation tube, a mixer where fuel and oxidizer are mixed before entering the detonation tube, one way valves and flame quenchers at the places where gas mixture tube and air pump extension join the detonation tube, piezo electric pressure sensors and ionization electrodes placed on the detonation tube, and a spark plug attached at the closed end to ignite the mixture. Control unit is one of the distinguished parts of the experimental setup. It includes relay driver board which controls the solenoid valves, electric discharge unit and air pump; PCL 818 analog/digital (A/D) signal converter interface, which carries all signal flow out of the computer to the sub systems and a personal computer, which carries all the necessary software. Data acquisition unit is composed of a charge amplifier that amplifies the magnitude of the signal sent by the piezo electric pressure sensors, a signal board utilized to measure the speed of the detonation wave, a digital oscilloscope, which receives the signals from the pressure sensor and the speed signal board, and after digitizing transmits these signals to the personal computer via RS 232 interface. xviThe flow chart that shows the experimental procedure is given below: Open the LPG and oxygen bottle valves and set the exit pressures to the desired values Run the air pump to sweep the remainings of the previous experiment Open the solenoid valves and let LPG and oxygen flow into the detonation tube Wait for a while to allow the gases diffuse into each other and for as homogenous a mixture in the tube as possible Set the oscilloscope to desired acquisition parameters Ignite the LPG-oxygen mixture Auto-trigger the oscilloscope Acquire and store the data in the oscilloscope Send the data to the PC Transform the data into ASCII code and store First part of the numerical study includes the calculations for the stable detonation wave moving along the detonation tube. This solution is based on the one-dimensional planar detonation wave approach. This approach is based on the simplified versions of the general three-dimensional governing equations and Hugoniot plot. Assumptions made to the governing equations are: flow is one dimensional, there is no body force, viscosity is negligible, flow is in the steady state, reactants as well as the products are in thermodynamic equilibrium. Based on above assumptions: continuity equation conservation of momentum (1) Pl+Prf =P2+P2U22 (2) xvnconservation of energy 1 1 c,ri + 2Ml +? = c*r2+-«2 ideal gas equation of state for reactants and products px = pxRT, and p2 = p2RT2 (3) (4) Since the number of the unknowns, uh u2, fr, T2 and/>2 are higher than the number of the conservation equations a fifth condition is necessary to close the system. This additional property of planar one-dimensional detonation waves is arrived at by examining the Hugoniot plot. Hugoniot plot basically involves a Hugoniot curve and two Rayleigh lines, which are tangent to the curve. Equation for these curve and lines are derived from the conservation equation, and are given below: Rayleigh line ui= - A Pi -Pi 1 1 ^A A (5) Hugoniot curve Y y-\ <P2 A, --(Pi-Pi) 1 1 - + - vA P2J = ? (6) Hugoniot plot shows all the possible result of combustion phenomena given the initial conditions. A careful investigation of the plot shows that one dimensional, planar, stable detonation can occur at the upper tangency point, better known as upper Chapman Jouguet point. At this point a detonation wave moves at the speed of sound so that the Mach number is equal to unity. This closes the system of equations. Also for the solution process a chemical equilibrium model for the tuel-oxidizer mixture is assumed in the following form: (0.70 C4H10 + 0.30 C3H8) + 6.052 02 o n^ + n20 + n3H2 + n4H + n5OH + n6H20 + n7CO + n8C02 (7) In order to solve the chemistry part, following one step reactions are necessary: C02^CO + -02 XVUl4# a + C02 o CH4 + 2H20 The iterative scheme used for the calculations can be described as follows: Step 1: Calculate the adiabatic flame temperature of the reaction for the given initial conditions. In absence of the losses, because the shock wave is tend to warm the initial mixture, adiabatic flame temperature will be the smallest value of iteration procedure. Step 2: For the products, calculate the specific heat ratio j2 and the mean molecular weight (MW2) Step 3: Solve the following equation to get the density ratio: s- Ui-W -^2^2 ju - = 0 ^2^2 (8) where M 0-1 Pi) _ A 0/p2) A Step 4: Correct the product pressure using P2=M R£lPi (9) Step 5: For newly calculated pressure determine the product composition xixStep 6: Check whether the results satisfy the following equality: 1 n2RT2 2 n (10) where ri2 is the ratio of mean reactant molecular weight to the mean product molecular weight. If both sides is equal then the iteration process is over; otherwise go to step one assume a higher temperature than the adiabatic flame temperature and the repeat the steps until the above condition is satisfied. Step 7: Once the iteration is converged detonation velocity is found from.,=>'"'», MW2 (n) In addition to above explained analytical study, a further step has been taken to investigate the behavior of the hypersonic flow emerging from the detonation tube into stagnant atmosphere by using ANSYS/FLOTRAN software. xx
Benzer Tezler
- Katmanlı kompozit panellerin anlık basınç yüküne dinamik cevabı
Dynamic response of laminated composite panels subjected to blast loading
HALİT S. TÜRKMEN
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Yüksek hızlı sürekli yanma sistemlerinde alev kararlılığının incelenmesi
A Study on flame stabilization in high speed continuous combustion system
SEZGİN SARAÇOĞLU
- LPG ve benzin üretilen platformer ünitesinin bilgisayar destekli analizi
Başlık çevirisi yok
TANER A. TECİRLİOĞLU
- Buji ile ateşlemeli motorlarda L.P.G. kullanımı
L.P.G. applications in spark ignitioned motors
ABDÜL PALABIYIK