BİR TURBOJET MOTOR YANMA ODASININ YÜKSEK İRTİFA KOŞULLARINDA YENİDEN TUTUŞMA KARAKTERİSTİKLERİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ BÜYÜK BURGAÇ BENZETİMİ İLE İNCELENMESİ
INVESTIGATION OF THE RELIGHT CHARACTERISTICS OF A TURBOJET ENGINE COMBUSTION CHAMBER UNDER HIGH-ALTITUDE CONDITIONS USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS LARGE EDDY SIMULATION
- Tez No: 690045
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Turbojet motor, Yanma odası, Yüksek irtifa, Yeniden tutuşma, Reaktif hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Türbülans, Büyük burgaç benzetimi, Sıcaklık, Basınç, Yakıt-hava oranı, Alev yayılımı, Alev kararlılığı, Akışkanlar dinamiği, Makine mühendisliği, Sıkışabilir akışlar, Türbülanslı yanma, Turbojet engine, Combustion chamber, High-altitude, Relight, Reactive computational fluid dynamics, Turbulence, Large-eddy simulation, Temperature, Pressure, Fuel-air ratio, Flame propagation, Flame stability, Fluid dynamics, Mechanical engineering, Compressible flows, Turbulent combustion, High altitude
- Yıl: 2021
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Tobb Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde askeri hava araçlarında kullanılan jet motorlarında kolay ve güvenilir bir ateşleme sağlayabilmek yanma odası tasarımında en önemli gereksinimlerden biridir. Uçuş sırasında oluşabilecek olumsuz koşullar sebebiyle kararlılığını yitiren alevin tekrar oluşumunu sağlamak ve yanma odası boyunca yayılımını gerçekleştirebilmek hayati önem arzetmektedir. Yüksek irtifa, olumsuz hava koşulları, ıslak bir pistten kalkış gibi yanma odası içerisindeki alevin sönmesine sebep olabilecek durumlarda güvenilir ve etkili bir ateşleme için yanma odası içerisine konumlandırılmış ateşleyiciler kullanılmaktadır. Alev sönmesi sebebiyle yanma odası içerisinde oluşacak farklı koşullar altında ateşleyicilerin etkili bir tutuşma gerçekleştirmesi ve tekrardan alev oluşumunu sağlaması beklenmektedir. Bu amaçla tez kapsamında KALE-ARGE tarafından geliştirilen bir turbojet motora ait yanma odasının yüksek irtifa koşullarında yeniden tutuşma karakteristiği Büyük Burgaç Benzetimi kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ile incelenmiştir. 3 Boyutlu zamana bağlı türbülanslı reaktif HAD analizleri ile yanma odası hava giriş sıcaklığı, basıncı ve yakıt-hava oranı gibi parametrelerin alev oluşumu ve yayılımı üzerine etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. İlk olarak doğrulama çalışması kapsamında matematiksel ve fiziksel alt modellerin doğruluğunu belirleyebilmek için çözüm ağı, türbülans ve yanma modeli çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çözüm ağı çalışması kapsamında sayısal difüzyon kaynaklı hataları en aza indirmek ve çözüm ağından bağımsız sonuç elde edebilmek için 2,5, 7,6, ve 21,5 milyon hücre içeren 3 farklı çözüm ağı modeli oluşturulmuş ve bu modellerin Büyük Burgaç Benzetimi için çözünülürlükleri incelenmiştir. İncelemeler sonucunda yeniden tutuşma kapsamında yapılacak çalışmalarda kullanılması için 8,3 milyon hücre içeren iyileştirilmiş Çözüm Ağı 2 modeli seçilmiştir. Yanma modeli çalışması için literatürde yer alan yanma odası geometrisi kullanılmış ve elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde alev oluşumu, alev sönmesi, karbonmonoksit oluşumu ve oksidasyonu, emisyon problemleri gibi yavaş kimya yaklaşımının baskın olduğu durumlarda kullanılan ve detaylı kimya içeren reaksiyon mekanizmalarının çözümlenebildiği FGM (Flamelet Generated Manifold) yanma modelinin yeniden tutuşma karakteristiğinin incelenmesi için uygun olduğuna karar verilmiştir. Bu kapsamda öncelikle ateşleyici için en uygun konumu belirleyebilmek amacıyla soğuk akış analizleri gerçekleştirilmiş ve yanma odası içerisindeki akış karakteristiği incelenmiştir. Çapı 3 mm olan küresel şekle sahip ateşleyici kullanılarak yüksek irtifa koşullarına uygun hava giriş sıcaklığı, hava giriş basıncı ve yakıt-hava oranı koşullarının alev oluşumu ve yayılımı üzerine etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda ateşlemeyi sağlayabilmek ve kararlı alev oluşumu gerçekleştirebilmek için yüksek sıcaklık ve basınç koşullarına ihtiyaç duyulduğu belirlenmiştir. Yakıtça zengin ve fakir yakıt-hava karışımlarında zengin ve fakir alev sönme durumlarının gerçekleşebileceği ve yakıt-hava oranının alev oluşumu ve yayılımı üzerinde sıcaklık ve basınç kadar etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Elde edilen sonuçların literatürde yapılan çalışmalarla tutarlı olduğu ve havacılık motorları için yüksek irtifa yeniden tutuşma karakteristiğinin incelenmesinde yavaş kimya yaklaşımına dayanan detaylı kimyasal mekanizmalar ile birlikte kullanılacak Büyük Burgaç Benzetiminin etkili bir yöntem olduğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Today, providing an easy and reliable ignition in military jet engines is one of the most important requirements in combustion chamber design. It is vital to light off the fuel-air mixture in case of a flame blowout due to adverse conditions that may occur during flight and to be able to propagate the flame throughout the combustion chamber. Igniters located in the combustion chamber are used for reliable and effective ignition in situations that may cause the flame in the combustion chamber to extinguish, such as high altitude, adverse weather conditions, and taking off from a wet runway. Under different conditions that may result in flame extinguishing, it is expected that the igniters should relight the mixture and provide a full flame in the combustor again. Within the scope of the thesis, the relight characteristics of a turbojet engine combustion chamber developed by KALE-ARGE under high altitude conditions were investigated using CFD, Computational Fluid Dynamics, Large Eddy Simulation (LES). The effects of parameters such as air inlet temperature, pressure, and fuel-air ratio on ignition and flame propagation were examined in detail using Three Dimensional Unsteady Turbulent Combustion simulations. Firstly, validation of the mathematical and physical submodels in terms of the numerics, turbulence, and combustion models have been investigated. For the numerics part, a mesh independent study was carried out to eliminate the errors due to numerical diffusion. In order to obtain a mesh independent solution, 3 different mesh sizes containing 2,5, 7,6, and 21,5 million computational cells were used and the resolution of the mesh sizes for the LES was examined. As a result of the investigations, an improved medium-mesh with 8,3 million cells was chosen to do the further re-light simulations. For the combustion model, a generic combustor where experimental results are available was used, and the CFD results are compared with the available measured data. As a result of the validation test case the FGM, Flamelet Generated Manifold, combustion model which is used in cases where slow chemistry approach is dominant such as flame formation and extinction, carbon monoxide formation and oxidation, emission problems, and in general where detailed chemistry modeling is required, is decided to be suitable for the investigation of the relight characteristics. In this context, in order to predict the suitable locations for the igniter, cold flow analyzes were performed to examine the most important flow characteristics in terms of the mixture quality in the combustion chamber. The effects of air inlet temperature, air inlet pressure, and fuel-air ratio conditions on the ignition, flame formation, and propagation were investigated using a 3 mm spherical-shaped igniter. As a result of the studies, it has been determined that high temperature and pressure conditions are needed to ensure ignition and stable flame formation. It was concluded that rich and lean flame extinction situations can occur in rich and lean fuel-air mixtures and the fuel-air ratio is as effective as temperature and pressure on flame formation and propagation. It has been determined that the results obtained are consistent with the studies in the literature, and CFD – LES coupled with chemical mechanisms that account for the slow chemistry could be used as an effective tool to predict the high altitude relight in aero engines.
Benzer Tezler
- Advanced energy and exergy analysis on aircraft jet engines
Havacılık jet motorlarında ileri enerji ve ekserji analizi
SARA FAWAL
Doktora
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KODAL
- Yöndeş ve ters akışlı hava parçalamalı yakıt hava püskürtücülü bir yanma odasının karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile belirlenmesi
Investigation of co and counter configurations of a double swirler airblast atomizer in an annular combustor with computational fluid dynamics
HASAN BAŞAR BOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
- Küçük bir turbojet motor için yanma odası tasarımı, testi ve termodinamik analizi
Combustor design, test and thermodynamic analysis for a small scale turbojet engine
AHMET TOPAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Uçak MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiUçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNDER TURAN
YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
- Bir gaz türbini yanma odası duvar sıcaklığının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve eşlenik ısı transferi yöntemleri ile hesaplanması
Computations of an aero engine gas turbine combustor liner temperature using computational fluid dynamics and conjugate heat transfer methodology
MAHMUT DOĞRUDİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
- Küçük ölçekli turbo jet motor modellemesi ve kontrolü
Modeling and control of a small turbo jet engine
ÖZGÜR MUTLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ