Investigations on the effects of conical bluff body geometry on nonpremixed methane flames

Abstract

This thesis is composed of three experimental studies, of which the first two are already published, and the third is under peer review. The first study investigates the effects of a stabilizer and the annular co-flow air speed on turbulent nonpremixed methane flames stabilized downstream of a conical bluff body. Four bluff body variants were designed by changing the outer diameter of a conically shaped object. The co-flow velocity was varied from zero to 7.4 m/s, while the fuel velocity was kept constant at 15 m/s. Radial distributions of temperature and velocity were measured in detail in the recirculation zone at vertical locations of 0.5D, 1D, and 1.5D. Measurements also included the CO2, CO, NOx, and O2 emissions at points downstream of the recirculation region. Flames were visualized under 20 different conditions, revealing various modes of combustion. The results evidenced that not only the co-flow velocity but also the bluff body diameter play important roles in the structure of the recirculation zone and, hence, the flame behavior. The second study analyzes the flow, thermal, and emission characteristics of turbulent nonpremixed CH4 flames for three burner heads of different cone heights. The fuel velocity was kept constant at 15 m/s, while the coflow air speed was varied between 0 – 7.4 m/s. Detailed radial profiles of the velocity and temperature were obtained in the bluff body wake at three vertical locations of 0.5D, 1D, and 1.5D. Emissions of CO2, CO, NOx, and O2 were also measured at the tail end of every flame. Flames were digitally photographed to support the point measurements with the visual observations. Fifteen different stability points were examined, which were the results of three bluff body variants and five coflow velocities. The results show that a blue-colored ring flame is formed, especially at high coflow velocities. The results also illustrate that, depending on the mixing at the bluff-body wake, the flames exhibit two modes of combustion regimes, namely fuel jet- and coflow-dominated flames. In the jet-dominated regime, the flames become longer compared to the flames of the coflow-dominated regime. In the latter regime, emissions were largely reduced due to the dilution by the excess air, which also surpasses their production. The final study examines the thermal characteristics of turbulent nonpremixed methane flames stabilized by four burner heads with the same exit diameter but different heights. The fuel flow rate was kept constant with an exit velocity of 15 m/s, while the co-flow air speed was increased from 0 to 7.6 m/s. The radial profiles of the temperature and flame visualizations were obtained to investigate the stability limits. The results evidenced that the air co-flow and the cone angle have essential roles in the stabilization of the flame: Increase in the cone angle and/or the co-flow speed deteriorated the stability of the flame, which eventually tended to blow-off. As the cone angle was reduced, the flame was attached to the bluff body. However, when the cone angle is very small, it has no effect on stability. The mixing and entrainment processes were described by the statistical moments of the temperature fluctuations. It appears that the rise in temperature coincides with the intensified mixing, and it becomes constant in the entrainment region.

Fosil yakıtların çevreye olan etkilerinin ortadan kaldırılması gereği günümüzde aşikardır. Bu amaçla, yenilenebilir olan ve olmayan birçok alternatif enerji kaynağı kullanılmaktadır. Ancak fosil yakıtların kullanımı halen çok popülerdir ve yaygın olarak kullanımdan kaldırılması kademeli olarak yapılabilecektir. Örneğin, Avrupa Birliği'ndeki doğal gaz hatlarına %100 hidrojen beslenmesi için 2050 yılı hedeflenmektedir ve geçiş 2023 yılından itibaren %10 oranında H2 beslenmesiyle başlayarak kademeli artımlarla doğal gaz içine hidrojen karıştırılması ile yapılacaktır. Dolayısı ile fosil yakıtlardan biri olan doğal gazın en az %85'ini oluşturan metan, bu süre içinde yakılarak tüketilmeye devam edecektir. Bunların yanında, yanma temelli ısıtma cihazlarını daha verimli, düşük emisyonlu ve konforlu hale getirmek için önkarışım teknolojisi kullanılmaya başlanmıştır. Ancak buhar kazanları ve özel amaçlı ocaklar gibi yüksek sıcaklık gerektiren endüstriyel uygulamalarda önkarışımsız yanma halen kullanılmaktadır. Önkarışımsız yakma cihazlarının tasarımında, gaz yakıtın merkezden üflenerek alevin bir cisme tutundurulması ve etrafından hava ile beslenmesi en elverişli yöntemlerden biridir. Küt cisim arkasında oluşan girdap bölgesinde yakıt ve hava karışarak yanma sonucu ortaya çıkan ısı tarafından sürekli olarak tutuşturulmaktadır. Üflemeli brülörler bu yönteme örnek olarak gösterilebilir. Alevin tutundurulduğu cismin (türbülatör) geometrisi, arkasındaki girdap bölgesini ve dolayısı ile alevin karakterini belirleyen önemli faktörlerden biri olduğundan stabilite, alevin şekli, reaksiyonların tamamlanması, ısıl çıktı ve emisyonlara direkt etkilidir. Türbülatörlerin tasarımında yakıt cinsi ve yakma cihazının çalışma aralığı da önemli parametreler olarak dikkate alınmaktadır. Yakıt cinsine göre farklılaşan ısıl değer nedeniyle yakıt debisi değişmekte, buna bağlı olarak yakıt besleme çapları da değişmektedir. Önkarışımsız cihazlarda 5:1 olan çalışma aralığında alev kararlılığının korunması, emisyonların minimize edilmesi, yanma odasına uygun şekilde alev elde edilmesi gerekleri tasarımcıyı karmaşık geometrilere götürmektedir. Karmaşık geometriler, genellikle temel bazı şekillerin tekrarlanması ile oluşturulmaktadır. Tüm gereklerin sağlanması ve en temiz brülörün tasarlanabilmesi çok yönlü bir optimizasyon problemidir ve alevin belirli geometrilerde ve akış hızlarında nasıl davrandığının bilgisini gerektirmektedir. Ek olarak, alevin basit şekiller üzerinde çalışılması karmaşıklığı da azaltmaktadır. Bu nedenlerle literatürdeki araştırmaların silindirik, disk ve lale şeklinde temel küt cisim geometrileri üzerine olduğu görülmüştür. Ancak konik cisimler üzerine araştırmaların sadece sınırlı sayıda geometrik şekil ve akış şartları üzerine yapıldığı görülmüştür. Aşağıda bahsedilen üç çalışmada, konik küt cisimlere tutunan türbülanslı ön karışımsız alevler incelenmiştir. Bu tez, ikisi yayınlanmış ve biri de hakem değerlendirmesinde olan üç farklı deneysel çalışmadan oluşmaktadır. Çalışmalar sırası ile Journal of Heat and Mass Transfer (Springer) ve Journal of Thermal Science and Engineering Applications (ASME) dergilerinde yayınlanmıştır. Detaylı referans bilgileri, referanslar bölümünde verilmiştir. Bölüm 1'de literatür araştırması sergilenmiş, yapılan çalışmaların amacı, içerikleri ve birbirleri ile bağlantıları açıklanmış, getirilen yeniliklerden bahsedilmiştir. Bölüm 2'de tasarlanan ve kurulan deney düzenekleri, küt cisimli yakıcılar ile kullanılan ölçüm cihazları ve yöntemleri detaylı şekilde sergilenmiştir. Bölüm 3'te sunulan ilk çalışmada alevin tutunduğu küt cisimlerin koni açısının ve çevresel hava akış hızının, türbülanslı ve ön karışımsız metan alevlerine olan etkisi incelenmektedir. Merkezinden yakıtın beslendiği ve alevin tutunduğu küt cisimler koni şeklinde tasarlanmıştır ve sadece dış çapı değiştirilerek, aynı uzunlukta (12mm) dört farklı tip oluşturulmuştur. Küt cismin çevresinden beslenen havanın hızı 0 – 7.4 m/s arasında belirli aralıklarla değiştirilmiş, yakıt hızı ise 15 m/s olarak tüm durumlarda sabit tutulmuştur. Farklı cisim geometrileri ve hava hızlarında küt cisim arkasındaki bölgede, yakıcı yüzeyinden 0.5D, D ve 1.5D dikey uzaklıklarda, sıcaklık ve eksenel hız ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler, radyal yönde tarama şeklinde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, alevin uç noktasından örneklenen yanma ürünlerinde CO, CO2 ve NOx emisyonları ile O2 konsantrasyonu ölçülmüştür. Farklı çalışma şartlarındaki yirmi adet farklı alev, kendilerine özel yanma modları ile görüntülenmiş ve gruplanmıştır. Sonuçlar, sadece çevresel hava hızının değil, kullanılan küt cisim çapının da girdap bölgesinin yapısı üzerinde etkili olduğunu, dolayısı ile alev modunun da etkilendiğini göstermiştir. Bölüm 4'te sergilenen ikinci çalışmada, türbülanslı ve ön karışımsız metan alevlerinin akış, ısıl ve emisyon karakteristikleri çalışılmıştır. İlk çalışmadan farklı olarak, çapları sabit tutulan (18mm) küt cisimler üç farklı uzunlukta tasarlanmıştır. Gaz yakıt hızı 15 m/s'de sabit tutulmuş, çevresel besleme havasının hızı 0 – 7.4 m/s arasında beş farklı değere ayarlanmıştır. Küt cisim arkasında oluşan girdap bölgesine denk gelen ve küt cisim yüzeyinden 0.5D, D ve 1.5D yükseklikte, radyal yönlerde ilerleyerek sıcaklık ve hız ölçümleri yapılmıştır. Alev ucundan toplanan duman örneklerindeki CO2, CO, NOx emisyonları ile O2 konsantrasyonu ölçülmüştür. Tüm alevler, nokta ölçümlerini görsel olarak da destekleyebilmek amacı ile dijital olarak görüntülenmiştir. Ölçümler ve görüntülemeler, üç farklı uzunluktakli küt cisim ile beş farklı akış hızında (onbeş farklı durum) yapılmıştır. Sonuçlarda, özellikle yüksek hızlarda halka şeklinde mavi bir alevin oluştuğu görülmektedir. Sonuçlar aynı zamanda, küt cismin arkasındaki girdap bölgesindeki yakıt hava karışımına göre iki farklı yanma rejiminin oluştuğunu göstermektedir: yakıt jeti hakim veya besleme havası hakim. Yakıt jetinin baskın olarak akışa etki ettiği durumlarda alev boyu daha uzun olmaktadır. Besleme havasının akışa hakim olduğu durumlarda ise emisyonlar havanın seyreltici etkisi nedeniyle büyük oranda düşmekte ve aynı zamanda emisyon oluşumu görece olarak düşük kalmaktadır. Bölüm 5'te sunulan üçüncü ve son çalışma türbülanslı önkarışımsız metan alevlerinin kararlılık durumunu ve ısıl karakteristiklerini incelemektedir. Kullanılan dört farklı küt cisim, birbirleri ile aynı çapta (12mm) ancak dört farklı uzunluktadır. Çıkış ağzındaki yakıt hızı önceki makalelerde olduğu gibi 15 m/s seçilmiş ve tüm durumlarda sabit tutulmuştur. Çevresel hava hızı ise 0 ile 7.6 m/s arasında on farklı değere ayarlanmıştır. Alevin kararlılık limitlerinin incelenmesi amacı ile tüm alevler dijital olarak görüntülenmiş ve bir durum için tüm alev boyunca sıcaklık ölçümleri alınmıştır. Elde edilen sonuçlar, çevresel hava hızının ve küt cisim koni açısının alev kararlılığı üzerine önemli etkileri olduğunu göstermektedir: Koni açısının ve/veya hava akışının arttırılması, nihayetinde alev kopmasına gidecek şekilde alev kararlılığını bozmaktadır. Aynı akış şartlarında koni açısı daraltıldığında alevin yakıcıya tutunduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte, koni açısı daraldıkça bir noktadan sonra alev kararlılığına etki etmediği görülmüştür. Yakıt ve havanın karışımı ile çevresel havanın alev bölgesine katılım mekanizması, sıcaklık verileri üzerinde yapılan istatistiksel analiz sonucu elde edilen momentler ile incelenmiştir. Karışımın daha güçlü olduğu bölgelerde sıcaklığın da görece yüksek olduğu, hava katılımının olduğu bölgelerde ise değişmediği tespit edilmiştir. Bölüm 6'da üç çalışmanın sonuçları tekil olarak tartışılmıştır.