Girdap Vanesi İle Stabilize Edilmiş Alevlerin Deneysel İncelenmesi

Abstract

Bu tez kapsamında, atmosferik şartlar altında açık, ön-karışımlı bir yakıcının alev karakteristiği ve türbülanslı akış ile etkileşimi incelenmiştir. Akış yapısı ortaya konularak alevin kararlı bir şekilde kalmasının fiziksel incelemesi yapılmıştır. Deney düzeneği olarak sekiz paleli ve gelen akışa 45 ̊ ile yerleştirilmiş konvansiyonel bir girdap vanesi ile ortasında alev tutucu bir çubuk bulunan girdap üreteci kullanılmıştır. Çubuğun bittiği konumda akış genişleme düzlemine ulaşmaktadır. Bu amaçla ilk başta soğuk akışın özellikleri Parçacıkla Hız Tayini (PIV) yöntemi ile incelenmiş olup akış yapısı ortaya çıkarılmıştır. Bu aşama da sorgulama penceresi akış yapısının genel özelliklerinin elde edilmesi amacı ile 64 x 64 piksel ve % 50 üst üste bindirme ile elde edilmiştir. Soğuk akış incelemelerinde parçacık olarak hem TiO_2 hem lazkin nozülünde hava parçalamasına uğramış yağ partükülleri kullanılmıştır. Akışın özelliği olarak merkezcil kuvvetler etkisi altında büyük parçalı ve her ne kadar ön kurutmaya tabi tutulsa da sıkıştırılmış havadan gelen nem yüzünden topaklanan TiO_2 parçacıkları çıkış kesitinin dış kısımlarına doğru yönlenmiştir. Bu yöntemle PIV ölçümlerinde ki sinyal gürültü oranını düşürdüğünden dolayı zaman zaman hatalı vektörler vermektedir. Bu yüzden, yağ damlacıkları deneyler de öncelikli olarak tercih sebebi olmuştur. PIV ölçümlerinden hız vektörleri bulunurken çok bilindik bir yöntem olan çapraz korelasyon yerine ortalama korelasyon alınmıştır. Ortalama korelasyon yöntemi, belirlenen sorgulama penceresinin her bir görüntüde ki toplamını alıp sonrasında ortalamasını alır. Bu ortalamayı ikinci resimde ki ortalama ile korelasyona uğratarak bu sorgulama penceresinden bir vektör elde eder. Sonrasında bu işlem her bir sorgulama penceresine uygulanarak hız vektör alanı elde edilmiş olur. Bu yöntem çapraz korelasyonun aksine hem daha hızlı hemde daha güvenilir sonuçlar vermiştir. Bu nedenle hız vektörleri üzerinde hiç bir yumuşatma olmadan, gerçek hız vektörleri elde edilmiştir. Akışın genel özelliği olarak, iki farklı yeniden dolaşım bölgesi gözlenmiş, bunlardan biri içte olup iç yeniden dolaşım bölgesi olarak adlandırılmış. Gelen akış yakıcıdan çıkarken genişlemeye uğrayarak alev tutucu çubuğun üzerinde ters bir basınç gradyeni ile güçlü bir yeniden dolaşım bölgesi oluşturmaktadır. İkinci bir zayıf yeniden dolaşım bölgesi ise yakıcının dış taraflarında durgun hava ile etkileşim sonucu oluşmaktadır. Tepkimeli akış incelemelerinde eşdeğerlik oranı TiO_2 parçağı ile yapılan deneylerde 0.74, yağ parçacıkları ile yapılan deneylerde 0.7 olarak sönme bölgesinden hemen üstünde bir değerde yapılmıştır. Bu deneylerde soğuk akış ile benzer bir akış yapısı gözlenmiştir. Tepkimeli akış görüntülemesi akışın bütün özelliklerini incelemek anlamında sorgulama penceresi soğuk akışla aynı olacak şekilde seçilmiştir. Akış karakteristiği için TiO_2 partikülleri kullanılmış ve yanmış gazların soğuk akışta olduğu gibi iç bölgede yeniden dolaşım bölgesini oluşturuduğu görülmüştür. İç sınır tabakaya bağlı kalarak gelişen bu durum sonucunda iç yeniden dolaşım bölgesinde “V” şeklinde bir alev oluşturduğu gözlenmiştir. Bu yeniden dolaşım bölgesi akış özellikleri göz önüne alındığında bu bölgede yanma sırasında oluşan ara geçiş ürünleri olan radikalleri hapsetmiş ve bu sayede yanma sonucu oluşan ürünlere geçişi kolaylaştırarak alevin fakir olarak yanmasına katkı sağlamıştır. Ayrıca girdap vanesi sayesinde akışın girdap şeklinde olması 3-boyutluluk göz önüne alındığında taze hava-yakıt karışımı alev cephesinin ısısına daha fazla maruz kalmış ve gelen akışın sıcaklığı yükseltilmiştir. Bu kısımda unutulmamalıdır ki, ortalama korelasyon alevin salınma özelliğinden dolayı doğru sonuçlar vermeyecektir. Bu yüzden bu kısımda ki hız vektörleri çapraz korelasyon yöntemi ile elde edilmiştir. TiO_2 ile yapılan deneylerde alevin yanmış gazları ısıtmasından dolayı bu bölgede ısıl genişleme olmasından ötürü parçacık yoğunluğu soğuk akışa göre ciddi bir şekilde azalmıştır. Buna rağmen alev cephesinin alanı bu gradyen değişiminden dolayı kolayca bulunacak hale gelmiştir. PIV ile kaydedilen Mie saçılım görüntülerinden bu sonuç çıplak gözle dahi görülebilmektedir. Ortaya konulan akış yapısından sonra alev cephesinin özellikleri incelenmiştir. Alev cephesinin özellikleri hem yukarı da bahsedilen TiO_2 parçacıkları ile gözlenmiş hemde yağ partikülleri ile çalışma daha ileriye taşınmıştır. Alev cephesinin ortalama özellikleri, TiO_2 ile yapılan deneylerde ortaya konmuştur. Bunun için görüntüler üst üste toplanmış sonrasında ise keskin gradyen bulunmaya çalışılmıştır. Yağ partikülleri ile yapılan deneylerde ise, yağ partikülleri alev cephesinden ürünler kısmına doğru geçerken yanmakta ve gözden kaybolmaktadır. Bu sayede her bir görüntüde keskin bir alev cephesi çıplak gözle dahi gözükmektedir. Alev cepheleri MATLAB’da yazılan algoritma ile bulunmaya çalışılmıştır. Bu algoritma ise şu şekilde ilerlemektedir: ilk başta PIV görüntülerine Gauss filtesi vb. filtreler uygulanarak her hangi bir yanlış girinti çıkıntı alev cephesinde yumuşatılmıştır. Bu noktada alev sınırının detaylı özelliğini tutmadan sadece genel olarak filtreleme yapılmıştır. Medyan ve Weiner filtreleri kenar özelliklerini koruduğundan dolayı girintili ve çıkıntılı alev yapısı özelliği korunmaya devam edilmektedir bu da haylice hataya yol açmaktadır. Buna ek olarak filtre sonucu elde edilen hatanın beş piksel mertebesinde olmasından dolayı filtrelereme konusundan herhangi bir hataya yol açılmamıştır. Filtreler sırasında elde edilen görüntünün parlaklık histogramı çizdirilmiş ve buna göre histogramı genişletilmiş ve eş dağılımlı olması göz önüne alınmıştır. Tam bu anda görüntü daha da işlenmeden önce soğuk reaktantlarların olduğu bölge beyaz, ürünlerin olduğu bölge siyah olacak şekilde ikili matrise dönüştürülmüştür. Fakat bu nokta da alev cephesinin belirlenmesi için çok fazla girintili çıkıntılı olduğuna karar verilmiş ve görüntüyü pürüzsüzleştirme işlemine devam edilmiştir. Bir adım daha pürüzsüzleştirme uygulamak açısından, görüntü 5 piksel çapında disk şeklinde bir matris ile korele edilmiştir. Bu adımla birlikte görüntüler kenar sınırları bulunmak için yeterli düzgünlüğe ulaşmıştır. Bu adımdan sonra görüntü yanmamış reaktantlar bir, yanmış ürünler sıfır olacak şekilde ikili bir matris ile ifade edilmiştir. Kenar sınır algoritması olarak Canny’nin geliştirdiği metod kullanılmış ve başarılı olunmuştur. Eşik değeri düzgün bir biçimde arttırılarak üst üste iki kere Canny sınır belirleme algoritması kullanılmıştır. Sonrasında ise elde edilen görüntü alev cephesinin olmasının beklendiği alan maskelenerek sadece bu bölge ile ilgilenilmiştir. Bazı kenarların kopuk olduğu görüldüğünden Canny’nin alev cephesini tek piksel ile sembolize eden algoritmasına, bu cephenin kalınlaştırılıp tekrar inceltilmesi medotu eklenerek alev cephesinin her koşulda sürekli olarak temsil edilmesi sağlanmıştır. Elde edilen alev cepheleri, ortalama alev cephesi alanı ile anlık alev cepheleri alanları bulmak ve buradan türbülanslı yanma hızına geçmek için görüntüler işlenmeye devam edilmiştir. Damköhler’in türbülanslı alev tanımı ışığı altında ve alev cephesi alanları ile laminer alev ilerleme hızını bilerek türbülanslı alev hızları elde edilmiştir. Her bir görüntü sonucu elde edilen alev cephelerinin alanları bir resimde toplanarak alev fırçası kalınlığı (flame brush thickness) elde edilmiştir. Bu elde edilen bilgi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çözümlemeleri için oldukça önemlidir. Alev fırçası kalınlığı, çözüm yapılacak alanda alev cephesinin konumunun ulaşabileceği en uç noktaları temsil eder. Bu değer, akış alanının ağ yapısı oluşturulurken dikkate alındığında en küçük yapıdaki türbülans özelliklerini bulma konusunda hayli önem teşkil eder ve hem türbülans hem de alevin özelliklerini bulma konusundan HAD çözümlemeleri için doğru sonuçlar verir. Yapılan bu çalışma ile artan ve kıvrımlaşan alev alanı ile türbülanslı alev ilerleme hızının arttığı gözlenmiştir. Alev cephelerinin bulunduğu flame brush bölgesinde bir nokta seçilerek bu noktadaki dik hız bileşeni ile alev alanlarının faz diagrami çizdirilmiş ve herhangi bir korelasyon gözlenmemiştir. Aynı şekilde düşey düzlemde alev cephelerinin salınımına dair baskın bir frekansta gözlenmemiştir. Fakat unutulmamalıdır ki, girdaplı akış yatay düzlemde ki hareketi frekans ve salınım hareketine sahip olabilir.

In this thesis, under atmospheric working conditions a swirl stabilized pre-mixed burner was constructed in order to reveal flame characteristics and the interaction between flame front and turbulent flow properties. Swirl number of the combustor was 0.74 and equivalence ratio was selected as 0.7. Through this thesis flow structure of cold flow and reacting flow was presented primarly for an early diagnostic. Then much of the effort was concentrate on image processing to reveal the flame fronts from PIV images. Swirl burner was designed to has eight blades with 45 ̊ with respect to oncoming flow. Two different type of seeder particles were used for different purposes which can be named for inspection for the whole area flow and to acquire flame front position with its details. For this purpose, cold flow properties were revealed by using Particle Image Velocimetry (PIV) technique. At this stage, interrogation window size set to 64 x 64 pixels and overlapping with 50% in order to observe overall flow properties. TiO_2 particals and oil dropelts were used to seed to flow. By the nature of the flow property, big particals under the centripetal forces tend to move outside of the exit of the burner. TiO_2 particles pertain this phenomena due to agglomeration even if the high humidity inside the seeder drum was removed by simple heaters. For the PIV calculations, average correlation method was used instead of cross correlation method which is widely-used. Average correlation method was chosen since it is a convenient method when the seed particle density changes dramatically within the flow field. In reacting flow case a similar flow structure has been observed. Two recirculation regions which can be named as inner and outer recirculation regions. Inside the inner recirculation region adverse pressure gradient occur due to sudden expansion of the oncoming flow creating a reserve flow over the center body flame holder. Beside of that a weak recirculation region occurs at the edge of the dump plane due to interaction of the swirling flow with the stagnant air out of the investigated region. However, at the burnt side particle density decreases due to thermal expansion in this region which increase the capability of edge detection algorithm kindly. Flame fronts were revealed by using Canny edge detection algorithm. Flame front characteristics as turbulent burning velocity and wrinkling factors figured out by using a MATLAB algorithm.