Jet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında jet motorlarında kullanılan basınçlı girdap tipi enjektörlerin çok fazlı iç akış ve sprey oluşumundan önceki dış akış karakteristikleri sayısal modelleme ve analiz yöntemi ile incelenmiştir. İlk aşamada literatürde yer alan sayısal analiz ve modelleme çalışmaları incelenmiştir. Literatür taraması sonucunda Euler fazında gerçekleştirilen iki ve üç boyutlu sayısal modelleme çalışmaları listelenmiştir. Özellikle enjektör iç bölgesi ve sıvı atomizasyonu gerçekleşene kadar olan akış alanlarının kapsamlı bir şekilde çalışılmadığı görülmüştür. Ayrıca, sayısal modelleme metotlarının farklı geometriler ve türbülans modelleri özelinde deneysel veriler de kullanılarak derinlemesine incelenmediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada iki fazda anlatılmakta olan iki ve üç boyutlu HAD modelleme metotları deneysel veriler ve birbirleri arasında karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler için ticari bir kod olan Ansys Fluent kullanılmıştır. 2. bölümde iki boyutlu eksenel simetrik HAD analiz metodu ile altı farklı geometri incelenmiştir. Bu kısımda iki denklemli türbülans modelleri, Reynolds gerilme modelleri, laminer ve hibrit RANS-LES modelleme metotları eksenel simetrik yapıda incelenmiştir. Türbülans modellerinin sprey oluşumu öncesi enjektör akış karakteristiklerinin doğru tahmininde ne kadar etkin olduğunu ölçebilmek için modelleme sonucu elde edilen CD ve toplam sprey açısı değerleri deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, iki denklemli türbülans modelleri ile geometri değiştikçe tahminlerin kayda değer seviyede kötüleştiği tespit edilmiştir. Bunun büyük ölçüde yüksek hesaplanan türbülans viskozitesi ile teğetsel hız profilinin doğru hesaplanamamasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Diğer taraftan, RSM-SSG modeli ile incelenen ilk 5 geometride beklenen akış davranışı elde edilmişken 6. geometride akış fiziği deneysel sonuçlarla uyumlu bir şekilde elde edilememiştir. RSM-BSL ve IDDES modelleri ile RSM-SSG modeline kıyasla daha iyi sonuçlar elde edilmiş olup tüm geometriler için akış fiziğine uygun sonuçlar yansıtmışlardır. Ancak sprey açısı değerleri deneylere kıyasla daha yüksek tahmin edilmiştir. Hesaplanan CD değerlerine bakıldığında ise tüm geometriler için ortalama olarak en düşük hata payının IDDES modeli ile elde edildiği tespit edilmiştir. Dolayısıyla basınçlı girdap tipi enjektörler için gerçekleştirilebilecek parametrik tasarım çalışmaları ve/veya enjektör geometrisinin CD ve sprey açısı tayininde incelenen modeller dahilinde türbülans modeli olarak IDDES'in kullanımının daha uygun olduğuna kanaat getirilmiştir. 3. bölümde IDDES türbülans modeli kullanılarak iki ve üç boyutlu modelleme farkları ve etkileri incelenmiştir. Metot karşılaştırmasını etkin yapabilmek için tasarlanıp üretilen bir şeffaf enjektörün su kullanılarak elde edilen farklı debilerdeki ölçüm sonuçları kullanılmıştır. Doğrulama parametreleri olarak CD, toplam sprey açısı ve film kalınlığı kullanılmıştır. İki boyutlu modelleme dahilinde yapılan analizlerde tüm debiler için akış alanının deneylerde hızlı kamera ile alınan resimler ile örtüştüğü görülmüştür. Ayrıca, enjektör girdap odasında oluşan teğetsel hız davranışının beklenilen Rankine girdabı yapısına uygun olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber, CD değerlerinde deneysel sonuçlardan önemli seviyede sapmalar tespit edilmiştir. Sprey açısı ve film kalınlığı değerleri de çoğunlukla deneysel verilerden farklı hesaplanmıştır. Diğer taraftan, üç boyutlu modelleme ile tüm debilerde CD, sprey açısı ve film kalınlığı tahminleri deneysel değerlere yakın elde edilmiştir. Özellikle 80 g/s ve 98 g/s debi değerlerinde hesaplanan CD ve film kalınlığı parametreleri deneysel ölçüm hata payları dahilindedir. 4. bölümde iki ve üç boyutlu modellemenin doğrulama parametrelerinin tahminine yönelik etkileri incelenmiştir. İki boyutlu modellemenin üç boyutlu modellemeden temel farkı giriş kanallarının dahil edilmesi olduğundan iki metot için girdap odası girişindeki zaman ortalamalı radyal ve teğetsel hız değerleri karşılaştırılmıştır. Üç boyutlu modellemede giriş bölgesinin dahil edilmesiyle kanallarda oluşan akış ayrılması etkisi ile etkin akış alanının daralıp akışın hızlandığı tespit edilmiştir. Bu etki iki boyutlu modellemeye yansıtılıp analizler tekrarlandığında CD, sprey açısı ve film kalınlığı değerlerinde önemli seviyede iyileşmeler görülmüştür. Ancak yine de debinin artışı ile beraber film kalınlığındaki azalma eğilimi güncellenen iki boyutlu modelleme ile doğru tahmin edilememiştir. İki ve üç boyutlu modellemelerin karşılaştırılmasında bir diğer parametre olarak hesaplama maliyeti değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda hesaplama maliyeti üç boyutlu modelleme ile iki boyutlu modellemeye kıyasla yaklaşık 1000 kat daha yüksek hesaplanmıştır. Bu durum yüksek doğruluk ihtiyacının karşılanması için bilgisayar kümelerinin kullanılması gerekliliğini ortaya koymuştur. Mevcut kişisel iş istasyonları ile dahi tek bir vakanın üç boyutlu analiz çözüm süresinin haftaları bulabileceği belirtilmiştir. Diğer taraftan, kaynaklar kısıtlı ise akış alanının genel görünümü ve performans parametrelerinin kabaca tahmin edilmesi için iki boyutlu modellemenin kullanılabileceği belirtilmiştir. Ek olarak, giriş kanallarındaki akış ayrılması etkisi biliniyorsa sınır şartlarında yapılacak düzeltme ile çok daha doğru sonuçlar alınabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, iki fazda gerçekleştirilen enjektör iç ve dış akış HAD modellemesi metotları literatür geometrileri ve yeni tasarlanıp üretilen şeffaf bir enjektör dahilinde gerçekleştirilmiştir. CD, sprey açısı ve film kalınlığı gibi performans parametrelerinin tahmin edilmesinde türbülans modellemesi, iki ve üç boyutlu modelleme etkileri deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Hatalı tahminlerin kök nedenleri ve iyileştirme için yapılabilecek model güncellemeleri aktarılmıştır. Ayrıca, bu tez çalışmasında uygulanan modelleme metodu ile özellikle üç boyutlu analizler ile yüksek doğruluk elde edilebileceği gösterilmiştir.