Computational analysis and experimental verification of premixed combustion of hydrogen methane/ air mixtures

Abstract

ÖNKARIŞIMLI HİDROJEN-METAN/ HAVA YAKITLARININ YANMASININ SAYISAL ANALİZİ VE DENEYSEL DOĞRULANMASI Bu çalışmada, önkarışımlı hidrojen katkılı metan/ hava alevleri fakir karışım koşullarında sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla, Orleans – ICARE (Fransa) enstitüsünde kurulu yüksek basınçlı yanma odası deney düzeneğinde ölçülen veriler temel alınarak deney düzeneği geometrisi iki boyutlu olarak modellendi. Modelleme çalışmaları çeşitli basamaklarla gerçekleştirlidi. İlk etapta, yanma odası içerisindeki soğuk akış alanı sayısal olarak hesaplandı. Bu modelleme çalışmasında, deneysel çalışmada olduğu gibi, akışkan olarak hava seçildi. Aynı zamanda, standart k-ε türbülans modelinin deneysel verilerle en iyi uyumu gösteren versiyonu bu çalışmalarda belirlendi. İkinci aşamada, seçilen karışım oranlarında önkarışımlı metan/ hava alevleri ile ilgili modelleme çalışmaları gerçekleştirildi. Alev boyu özellikleri, Zimont ve Uyumlu Alev Modeli (Coherent Flame Model) modelleri kullanılaraki araştırıldı. Bu çalışmanın üçüncü aşaması ise, hidrojen zenginleştirmesinin önkarışımlı alev istatistikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesidir. Tüm modelleme çalışmaları Fluent yazılımı ile gerçekleştirildi ve sonuçlar deveysel verilerle karşılaştırıldı. Deneysel çalışmalarda Bunsen tipi bir yakma ünitesi üzerinde sabitlenmiş önkarışımlı metan/ hava ve hidrojen katkılı methan/ hava alevlerinin istatististiksel özellikleri ölçülmüştür. Bu veriler soğuk hava koşullarında LDA tekniği ile, yanma koşullarında ise Rayleigh tomografi, Mie saçılımı ve PIV teknikleri ile elde edilmiştir. Son aşamada ise, basınç etkisinin önkarışımlı alev özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Modelleme çalışmaları sonucunda fakir önkarışımlı metan/ hava alevleri için karışım zengilik oranları arttırıldıkça alev yüksekliğinde ve alev kalınlığında azalma gözlenmiştir. Bunun yanında, metan/ hava karışımlarının hidrojen ile zenginleştirilmesi, alev özelliklerinin değişmesine yol açmaktadır. Karışımda hacimsel olarak hidrojen oranını arttırıldığında, alev boyunun azalmakta ve alev kalınlığının incelmektedir. Çünkü, hidrojen eklenmesi ile karışım daha reaktif olmaktadır. Ayrıca, önkarışımlı alev özelliklerinin yüksek basınç şartlarında değiştiği de gözlenmiştir.

COMPUTATIONAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF PREMIXED COMBUSTION OF HYDROGEN METHANE/ AIR MIXTURES Hydrogenated premixed methane/ air flames under lean conditions are simulated in this study. The two-dimensional axisymmetric model of the high pressure chamber setup of Orleans - ICARE (France) has been developed. Then, the simulations have been performed in several stages. At first stage, the cold flow field inside the chamber setup is simulated by assuming air as working fluid as in experimental works. Meanwhile, the variant of the k-ε turbulence model that shows the best agreement with experimental data has been determined in these studies. At the second stage, the simulations on the premixed methane/ air flames at selected equivalence ratios are performed. The flame front properties are investigated by two turbulent premixed combustion models, namely Zimont and well-known Coherent Flame Model (CFM) models. The analysis of the influence of the hydrogen enriching on premixed flame front statistics is the third stage of this study. All modeling studies are performed with Fluent software and compared to experiments. Experimental results concern both turbulent premixed methane/ air and hydrogenated methane/ air flames stabilized on a Bunsen type burner; they are obtained by LDA for the cold and hot flow velocity statistics and by laser induced Mie scattering and Rayleigh tomography and PIV techniques for flame front statistics. Finally, the influence of the pressure on the premixed flame front statistics has been examined. The simulations show that the increase in the equivalence ratio results in the decrease in flame tip height and flame brush thickness for methane/ air flames. On the other hand, enriching the methane-air mixture with hydrogen modifies the premixed flame front properties. When the volumetric percentage of hydrogen in the mixture is increased, the flame-end position is reduced and flame brush thickness becomes thinner due to operation with more reactive fuel/ air mixtures. Furthermore, it is found that the premixed flame properties have been modified with operation at higher pressure conditions.