Ters Akışlı Bir Yanma Odasında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Kullanılarak Large Eddy Sımulatıon Modeli ile Tutuşma Karakteristiğinin Belirlenmesi

Abstract

Yanma odası tasarımlarında tutuşma karakteristiğinin belirlenmesi en önemli noktalardan birisidir. Bu tez çalışmasında, 2-5 kişi kapasiteli küçük bir uçağa ait, küçük boyutlardaki (160-180 kW) bir turboprop / turboshaft motorun ters akışlı yanma odası içerisindeki çift fazlı ve reaksiyonlu akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak Büyük Burgaç Simülasyonu (Large Eddy Simulation, LES) yaklaşımı ile analiz edilmiştir. Yapılan analizlerde tutuşma, alev yayılımı ve yanma odası içerisindeki ısı transferi olayları incelenmiştir. Simülasyonlarda öncelikle, LES analizlerine referans olması amacıyla daha az hesaplama kaynağı gerektiren ve hesaplama süresi açısından daha kısa zamanda sonuçlar veren Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) yaklaşımı kullanılmış ve türbülanslı akış Realizable k-? modeli ile analiz edilmiştir. Hesaplama maliyeti ve yakınsama kolaylığı nedeniyle RANS metodunun sağladığı izotropik türbülans yaklaşımından dolayı ilk analizler sektör geometri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sektör geometri, tam geometrinin 1/12'lik parçası olan 30 derecelik kısmını temsil etmektedir. Sektör geometri ile gerçekleştirilen analizlerde, ağ yapısı çalışmaları, yanma modeli çalışmaları ve çift fazlı akış modeli çalışmaları tamamlanmıştır. Yanma modeli doğrulanması çalışmalarında Sandia laboratuvarlarında gerçekleştirilen Flame D pilot alev deneyi verileri kullanılmıştır. Çift fazlı akış karakteristiğinin belirlenebilmesi için LISA (Linearized Instability Sheet Analysis) birincil parçalanma modeli ve TAB ikincil parçalanma modelleri birlikte kullanmıştır. Daha sonraki süreçte, Hibrit Eddy Break Up (HEBU) yanma modeliyle birlikte RANS yaklaşımı kullanılarak reaksiyonlu sektör geometri analizleri gerçekleştirilmiştir. Böylece, tam dairesel geometri ile yapılan analizlere daha az hesaplama gücü kullanılarak referans bilgi elde edilmiştir. Tam dairesel geometri ile yapılan analizler sonucunda, yanma odası çıkış sıcaklık dağılımı, hız dağılımı, Radyal Sıcaklık Dağılım Faktörü (RTDF), Genel Sıcaklık Dağılım Faktörü (OTDF) ve tutuşma parametreleri gibi temel performans parametreleri elde edilmiştir. Analizler süresince elde edilen sıcaklık konturları birleştirilerek videolar oluşturulmuş ve tutuşma, alev yayılımı gibi olaylar görsel olarak incelenmiştir. Sonuç olarak, ateşleyici ve yakıt enjekte edilme işlemi 3 ms zamanında etkinleştirilmiş ve yanmanın tamamlanıp alevin yanma odasına yayılma işlemi ise 63 ms civarında tamamlanmıştır. Çıkış yüzeyinde elde edilen sıcaklık değerleri incelendiğinde RTDF değeri %5, OTDF değeri ise %29 olarak hesaplanmıştır.

Ignition characteristic is one of the most important issues in a gas turbine combustion chamber design. In this study, two-phase reacting flow through a reversed flow combustion chamber is analyzed using Computational Fluid Dynamics (CFD) with Large Eddy Simulation (LES) approach. The combustion chamber analyzed belongs to a small scale turboprop / turboshaft engine (160-180 kW) that will be used in 2-5 seats commuter aircraft. Analyses have been carried out for sector and full annular (FAnn) geometry. CFD analyses were focused on simulation of ignition, flame propagation and source of potential instabilities. The computations were performed to identify the thermo-fluid and heat transfer characteristics for the combustion chamber. First of all, reacting simulations with Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method are done in order to have a reference case to LES computations. Due to the steady-state approach, diffusive nature of the RANS method and the isotropic turbulence assumption of the employed turbulence model (Realizable k-?); it has been presumed that same thermo-flow field will be obtained with the RANS method at each combustor 1/12 sector. Therefore the RANS computations are carried out for one sector of the combustor in order to reduce the computational costs and have a faster convergence. During sector analysis, mesh, combustion model and two phase flow characteristics studies have been carried out. In order to determine the two-phase flow characteristic LISA (Linearized Instability Sheet Analysis) break-up and TAB break-up models have been used. Sandia Flame-D test data have been used for combustion model validation studies. After that, reacting RANS calculations have been performed for a single sector as well. By this means, a methodology could be established as a reference to the FAnn simulations with less computation time. Combustor basic performance parameters such as outlet temperature distribution, velocity distribution, Radial Temperature Distribution Factor (RTDF), Overall Temperature Distribution Factor (OTDF) and ignition parameters were predicted. Time dependent temperature field images were gathered during simulation and these images were used to make movies which enables to understand ignition and flame propagation behaviors of the combustion chamber. As a result, fuel injection and ignitor has started 3 ms in flow time and flame propagation is completed around 63 ms. RTDF and OTDF are found as %5 and %29 respectively.