EHepkaya PDF

GAZĠ ÜNĠVERSĠTESĠ
FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI
MM 598 SEMĠNER DERSĠ
Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Nuri YÜCEL
Tez Öğrencisi : Ender HEPKAYA
Tez Konusu
: Ricardo Araştırma Motorunda Silindir İçi Yanma ve Emisyon Oluşumunun STAR-CD/esICE Yazılımıyla Sayısal Simülasyonu
ÇALIġMANIN AMACI
Buji ateşlemeli içten yanmalı bir motorda silindir içindeki akışın ve yanmanın en iyi şekilde simüle
edilebilmesi için çalışma kapsamında kullanılması planlanan ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)
yazılımı STAR-CD/es-ICE içerisinde yer alan akış ve yanma modellerinin detaylı bir şekilde irdelenmesi, en
uygun modellerin seçilerek, literatürde var olan deneysel ve sayısal sonuçlarla örtüşen yaklaşımlar ortaya
koyan üç boyutlu bir bilgisayar simülasyonunun elde edilmesi amaçlanmaktadır.
KAPSAM
Yanma problemlerinde, akışkan ve ısı transferi problemleri için kullanılan denklemlerin dışında bazı
denklemlere daha ihtiyaç duyulmaktadır. Yanma modellemesinde çözülmesi gereken temel denklemler:
Kütlenin Korunumu, Momentum Korunumu, Türbülans Denklemleri (Türbülanslı Yanma Durumunda),
Enerji Korunumu, Kimyasal Türlerin Korunumu’dur. Türbülanslı akış tamamen anlaşılamayan ve klasik
fizikte çoğunlukla anlamlı şekilde çözümlenemeyen bir problemdir. Fakat birçok mühendislik probleminin
türbülanslı olması, “türbülans modelleri” olarak tanımlanan modellerin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu
modeller, belirli bir noktaya kadar Navier-Stokes denklemlerini baz alan sistematik matematiksel
türetmelerdir, ayrıca boyutsal argüman ve ampirik girdilere dayanan hipotezlerdir. Türbülans
modellemelerinde olduğu gibi türbülanslı yanma için de benzer yaklaşımlar geliştirilmiştir. Yanma, yakıt ve
yakıcının moleküler seviyede karıştığı bir olaydır. Bu da türbülanslı yanmanın, türbülanslı karışma olayına
bağımlılığını göstermektedir. Genel olarak, geniş bir aralık içerinde farklı büyüklükte eddy’ler oluşur. Bu
eddy’lerin ara yüzeylerindeki gerinim ve kayma, karışım olayını meydana getirir. Eddy’lerin parçalanması
ve küçük eddy’lerin oluşması sırasında, gerinim ve kayma artar ve böylece reaksiyona girenler arasındaki ara
yüzeyde konsantrasyon gradyanları yükselir, moleküller arası difüzyon artar. Yakıt ve yakıcının moleküler
seviyede karışımı yanmanın ön gereksinimidir ve küçük eddy’ler arasındaki ara yüzeyde oluşur. Türbülanslı
yanma problemleri birkaç boyutsuz sayı ile karakterize edilir. Bu boyutsuz parametrelerin arasında en
önemlileri Reynolds, Damköhler, Mach ve Boltzman sayılarıdır. Bu boyutsuz parametreler ile akışta,
türbülanslılığı, yanma karışımının karakteristiği, sıkıştırılabilirlik etkilerinin önemi ve ısı transfer
mekanizmasının durumu belirlenerek yaklaşımlar yapılmalıdır.
LĠTERATÜR
Günümüzde bilgisayar ve yazılım teknolojisinin gelişmesiyle birlikte başta dizel motorlar olmak üzere
benzinle, doğalgazla ve hidrojenle çalışan motorlar kullanılarak sayısal modeller oluşturulmuştur ve birçok
sayısal çalışma gerçek motorlar üzerinden elde edilen verilerle oldukça uyum göstermektedir. Malaguti ve
Fontanesi [1] yaptıkları çalışmada, benzinli bir otomobil motorunun yanma odası içerisindeki püskürtme
gelişimini ve sıvı film oluşumunu düşük sıcaklıkta çalışma koşulunda detaylı bir HAD (CFD) analiziyle
incelemişlerdir. Tüm analizler STAR-CD yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, buji
kirlenmesi ile püskürtme dağılımı arasında bir korelasyon bulunmuştur ve optimum enjeksiyon stratejisi
önerilmiştir. Baratta ve arkadaşları [2] tek silindirli, optik metotlarla izlenilebilen bir motorda jet oluşumu ve
hava-yakıt karışımını deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Deneysel kısımda çift taraflı PLIF (planar
laser-induced fluorescence technique) analizi ile sayısal kısım ise STAR-CD yazılımı ile gerçekleştirilmiştir.
Kademeli ve homojen şarj motor çalışma koşullarında sonuçlar incelendiğinde deneysel ve sayısal sonuçlar
oldukça uyumlu çıkmıştır. Koten ve arkadaşları [3] tek silindirli bir dizel motorda enjeksiyon
parametrelerinin yanma üzerindeki etkisini STAR-CD Es-ICE modülü kullanarak sayısal olarak
incelemişlerdir. Elde edilen sonuçlar literatürden incelenen benzer simülasyon ve deney sonuçlarına oldukça
uyumlu çıkmıştır. Jayashankara ve arkadaşları [4] direkt enjeksiyonlu bir dizel motorda, yakıt enjeksiyon
zamanlaması ve emme basıncının motor performansına etkisini STAR-CD kullanarak incelemişlerdir. Emme
ve sıkıştırma stroklarında HAD sonuçları literatürde daha önceden yapılmış sonuçlarla uyumlu çıkmıştır.
Mobasheri ve arkadaşları [5] 4 silindirli çok noktadan yakıt enjeksiyonlu buji ateşlemeli bir motorda, üç
farklı yanma modeli (Eddy break up model (EBU), Probability density function (PDF) ve Coherent flamelet
model (CFM)) kullanarak yanma ve NOx emisyonları üzerindeki etkisini irdelemişlerdir. Elde edilen
simülasyon sonuçları, deneysel verilerle karşılaştırılmış ve yanma parametreleri ile NOx emisyonları oldukça
yakın sonuçlar vermiştir.
ÇALIġMA YÖNTEMĠ
Buji ateşlemeli Ricardo motoru silindir geometrisi katı modeli bilgisayar ortamına aktarılacak ve lisanslı
STAR-CD/es-ICE yazılımı kullanılarak sayısal bilgisayar simülasyonları gerçekleştirilecektir. STAR-CD
programında, yanma simülasyonu ve türbülans için çok farklı modeller bulunmakta olup, dolayısı ile
simülasyonlara başlamadan önce teorik bir araştırma yapılarak, silindir içinde gerçekleşen yanmayı ve
türbülanslı akışı hangi modellerin daha iyi temsil edeceğine karar verilecektir ve simülasyonlar önceden
belirlenen modeller kullanılarak yapılacaktır. STAR-CD programı, sayısal çözümdeki sayısal
ayrıklaştırmanın yarattığı hatalar, türbülans ve yanma modelleri açısından çok geniş imkanlar sunan bir
yazılımdır. Bu çalışmada yanma modellerinin etkisinin yüksek olacağı açıktır. Ancak simülasyon kısmının
ilk safhasında sayısal ayrıklaştırma tekniklerinin sayısal hatalar açısından etkileri araştırılacak, sayısal hatalar
açısından, hesaplamada kullanılacak eleman sayısından bağımsız bir çözüm elde ettikten sonra türbülans
modellerinin soğuk akış durumundaki etkileri incelenecektir. Sayısal ayrıklaştırma ve türbülans modelleri
hakkında sonuçlar elde edildikten sonra, araştırmanın en önemli konusu olan yanma ve emisyon
modellemesine (EBU (Eddy Break-Up), ECFM3Z (Extended Coherent Flame Model-3 Zone), PDF
(Probability Density Function) vb. yanma modelleri) gidilecektir. Burada önemli olan kimyasal reaksiyon
sonucu ortaya çıkan ısının doğru hesaplanması ve bunun sonucu olarak da silindir içindeki basınç ve
sıcaklığın zamanla (krank mili açısı) değişiminin doğru belirlenmesidir.
SONUÇ
Çalışmanın sonunda elde edilecek bilgisayar simülasyonu ile gerçek motorlardaki yanma koşulları elde
edilmeye çalışılacaktır. Güvenilirliği sağlandığı takdirde motor teknolojisinde yapılan yenilikler,
modifikasyonlar çerçevesinde meydana gelen yüksek maliyetli denemelerin bilgisayar ortamında
yapılabilecek kısımlarına kaynak sağlanmış olacaktır. Ayrıca daha önce yapılmış çalışmalar incelendiğinde
sayısal olarak incelenen motor çalışmalarının çoğunlukla dizel motorlarda yapılmış olması ve bu çalışmanın
performans değerleri bilinen buji ateşlemeli bir motoru temsil edecek olması da önemli bir unsurdur.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
Malaguti S., Fontanesi S., CFD ınvestıgatıon of fuel fılm formatıon wıthın a GDI engıne under cold start
crankıng operatıon, Proceedings of the ASME Internal Combustion Engine Division 2009 Spring Technical
Conference.
Baratta M., Catania A.E., Pesce F.C., Computatıonal and experımental analysıs of dırect cng ınjectıon and
mıxture formatıon ın a spark ıgnıtıon research engine, Proceedings of the ASME 2010 Internal Combustion
Engine Division Fall Technical Conference.
Koten H., Yılmaz M., Gül M.Z., Numerıcal study on a heavy duty cı engıne to achıeve ultra-low emıssıons,
Proceedings of the ASME 2010 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference.
Jayashankara B., Ganesan V., Effect of fuel injection timing and intake pressure on the performance of a DI
diesel engine – A parametric study using CFD, Energy Conversion and Management, 51 (2010) 1835–1848.
Mobasheri R., Dehkordi M.S.S., A comparatıve study of combustıon models for spark ıgnıtıon engınes based
on experımentatıon and cfd sımulatıon, Proceedings of the ASME 2010 Internal Combustion Engine Division
Fall Technical Conference.