Yanma Modelleri

Yanma olayının modellenmesi kısmında sistem dört temel faktör üzerinde oturmakta ve mevcut durumun analizi bu dört temel faktörün kendilerinin ve birbirleriyle olan ilişkilerinin incelenmesi ile mümkün olmaktadır. Bu faktörler; yakıt ilavesi ya da püskürtme, karışım oluşması, kimyasal reaksiyon ve yanma hızıdır.

Yakıt ilavesi ya da püskürtme prosesi gaz halinde ya da sıvı biçiminde olabilir.

Yakıt bir sıvı olarak enjekte edilir, daha sonra gaz hale geçer ve yanma gerçekleşmeden önce hava ile karıştırılır. Bazı durumlarda yakıt direkt olarak gaz halde kabul edilerek yakıt ilavesi prosesinin modellemesi ve hesaplamaları gerçekleştirilebilir. Silindir içerisine yakıt ilavesinin dinamik davranışı karışımın fiziksel dağılımı ve hava ile oluşturduğu karışıma ait homojenite hesapları için önem teşkil etmektedir. Daha önceki bölümde de karışım oluşumu bahsiyle yakıt ilavesi ile ilgili detaylı bilgilendirmede bulunulmuştur.

Karışım oluşumu, türbülanslı akışın oluşması bakımından büyük önem arz etmektedir. Kompozisyon oluşumu veya sıcaklık geçişleri nedeniyle moleküler difüzyon gerçekleşir, bu olay laminer akış oluşumuna neden olur ve önemli ölçüde daha yavaş gerçekleşen bir süreçtir. Karışımın türbülans oluşturma hızı, motorun hızının artması ile neredeyse paralel bir seyir gösterir. Bu durum değişik krank açılarında ve operasyon hızlarında yanma periyodunun stabil kabul edilmesi avantajını sağlar. Silindir içi türbülansın arttırılması karışım içinde homojenliğin sağlanması, buji ateşlemeli motorlar için vuruntu olayının önlenmesi ve sıkıştırma ateşlemeli motorlar içinde tutuşma gecikmesinin kısaltılması açısından önem arz etmektedir.

Kimyasal reaksiyonlar, reaktantlar yüksek sıcaklıklara eriştikleri zaman meydana gelirler. Bununla birlikte reaksiyon yapısı; ortamın sıcaklığı, reaktantların ilk sıcaklıkları ve yakıt denge katsayısı gibi faktörlere bağlı olarak değişim gösterir.

Diğer taraftan hidrokarbon içerikli yakıtlar düşük sıcaklıklarda da kendiliğinden tutuşma eğilimi gösterebilir, HCCI motorlar ve soğuk başlangıç koşullarında çalışan sıkıştırma ateşlemeli motorlar bu duruma örnek gösterilebilir, bu durumda reaksiyon hızı yavaş bir ilerleyiş izler.

Bütün yanma sistemlerinde; fiziksel veya kimyasal prosesler yanma hızı vasıtasıyla kontrol edilebilir. Yanma hızı silindir içerisinde yanma odasında farklı

noktalarda farklı değerler alabilir. Yanma hızını etkileyen en önemli faktörlerden biri daha önceki bölümde bahsedilen alev oluşumu ve alevin yapısal özellikleridir.

Türbülansın ve karışım oluşumu yanma hızına pozitif yönde etki yapar. Yanma odası içerisinde farklı bölgelerdeki yanma hızları düzensizliğe, ani basınç yükselmelerine ve vuruntu durumunun oluşmasına yol açabilir. Yanma hızı, moleküler yapının davranışı ve kinetiği ile doğrudan ilgilidir. Silindir içi yanmanın modellenmesi için birçok yanma modeli mevcuttur, aşağıda bir kısmı çalışmalarda kullanılmış olmak üzere şu yedi farklı model hakkında kısa bilgilendirmede bulunulmaktadır.

 ECFM-3Z Yanma Modeli

 G-equation Modeli

 Wiebe Yanma Modeli

 Ricardo İki Bölgeli Alev Modeli (RTZF)

 Magnussen Modeli (Eddy Break-Up)

 Değişken Alev Modeli

 Çok Katmanlı Etkileşimli Alev Modeli (RIF/MIF)

ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model-3 Zone) Yanma Modeli [61];

CFM ve ECFM modellerinin üzerine kurulan ve Star-CD programında kullanılmakta olan ECFM-3Z modeli hem buji ateşlemeli hem de sıkıştırma ateşlemeli motor modellemeleri için uygun bir çözümleyicidir. Çalışmamızda karışımlı yakıtların modellenmesi esnasında tercih edilmiş ve kullanılmış olan bir model tipidir. Bu modeldeki temel yaklaşım, lokal katmanlaşmayı hesaba katmak için çözüm hacmini bölmektir. Karışım bölgesinde yanmış gazlar bölümünde geliştirilmiş alev sonrası kimya modeli ve yanmamış gazlar bölümünde de kendiliğinden ateşleme modeli ilavesiyle standart ECFM yanma modeli çözülmektedir. Kütlenin değişimi 3 farklı bölgede çözülmektedir: Karışım modeli, “3Z” terimi üç karışım bölgesini temsil eder.

Bu karışım bölgeleri şu şekildedir:

 Karışmamış yakıt bölgesi,

 Karışmamış hava + kalıntı gaz bölgesi,

 Karışmış gazların oluşturduğu bölge

ECFM-3Z modelinde yanmanın her basamağında alev ilerlemesi, ateşleme ve alev sonrası emisyonlar, karışım bölgesindeki gazlar referans alınarak hesaplanmaktadır. ECFM-3Z modelinde yanmış gaz içerisinde “Yakıt Oksidasyon Sonrası Kimyası”, “Ayrışma” ve “Kök Oluşum Kimyası”, “CO⇔CO2 Kinetiği Kimyası”, “NO Kimyası”, “İs Kimyası” reaksiyon setleri bulunmaktadır ve çözümlemede bu setlerin yapısından faydalanılmaktadır. ECFM-3Z modeli ateşlemeyi iki basamakta oluşturmaktadır. İlk basamakta kıvılcım ile alev yüzeyinin ortaya çıkışı arasındaki gecikme zamanı modellenir. İkinci basamakta ise alev yüzeyinin ortalama gazlar içerisindeki gerçek yayılımı dikkate alınmaktadır. Karışım bölgesi türbülanslı, diğer bölgelerdeki gazlar moleküler karışımın sonucu ve yanmanın gerçekleştiği yerdir.

ECFM-3Z modeli ateşlemeyi iki basamakta sunar. İlk basamakta kıvılcım ile alev yüzeyinin ortaya çıkışı arasındaki gecikme zamanını modeller. İkinci basamakta alev yüzeyinin ortalama gazlar içerisindeki gerçek yayılımını dikkate alır.

ECFM-3Z modelinde yanmanın her basamağında, alev ilerlemesi, (oto)ateşleme ve alev sonrası/emisyonlar karışım bölgesindeki gazlar baz alınarak hesaplanır [61]. ECFM-3Z modelinde standart ateşlemenin yerine Arc and Kernel Tracking Ignition Model (AKTIM)’de kullanılabilir [59].

G-equation Modeli [61]; yanmış ve yanmamış bölgeyi G adı verilen bir skalar eşdeğer yüzey (isosurface) ile ayırmaktadır. Alev yayılımının, türbülans etkileşiminin ve karışımın kimyasal yapısının tanımlanmasında kullanılan bir modeldir. Bu modelde alev bölgesi üç bölgeye (reaksiyon bölgesi, yanmış bölge, yanmamış bölge) ayrılıp her bölge için fonksiyon tanımlaması yapılır ve türbülanslı alev kalınlığı dikkate alınarak modelleme gerçekleştirilir. Yanmış ve yanmamış bölgeyi ayıran yüzey G=0 olarak tanımlanır. Bu yüzeyin dışında G, eşdeğer yüzeyi hassas şekilde yakalamak için G=0’a göre değişen mesafe fonksiyonuna ihtiyaç duyar. G=0 eşdeğer yüzeyinin sadece alev önü pozisyonunu tanımladığı söylenebilir [61]. Türbülanslı akışlarda alev yapısını tanımlamak için türbülanslı alev kalınlığından elde edilebilecek G varyansına ihtiyaç vardır.

Wiebe yanma modelinde [65] yanma ön karışımlı, difüzyon yanması ve kuyruk yanması şeklinde üç kategoride incelenir. Wiebe yanma modeli bütün iş çevrim özelliklerini hesaba katmakta, üstelik yanma ürünlerinin ısıl ayrışma durumunu da göz

önünde bulundurmaktadır. Bu modelde krank mili açısına bağlı olarak değişen silindir içi basınç ve silindir içi sıcaklık hesaplanmaktadır. Vibe fonksiyonu ile [66] verilen parametreler arasında ortalama yanma hızı, maksimum yanma hızının bağıl zamanı ve püskürtme avansı varsa, yanma eğrisinin ve bütün çevrimin hesapları yapılabilmektedir. Buji ateşlemeli motorlar için Wiebe modelinde yanma süresi 0,005s ile 0,016s arasında değişmektedir.

Ricardo İki Bölgeli Alev Modeli (Ricardo Two-Zone Flamelet) [65]; alev yanmış bölge ve yanmamış bölge olarak iki bölgeye ayrılır. Yanmamış bölge; hava, su buharı, kalıntı gazlarını içerirken yanmış bölge yanma ürünlerini bünyesinde bulundurur. Yanmamış bölge kendi içerisinde de tam karışımın oluştuğu bölge ve karışımın oluşmadığı bölge olarak ikiye ayrılır. Karışımın oluşmadığı bölgede hava ile yakıt moleküler seviyede karışmamış haldedir ve kimyasal reaksiyona hazır değildir.

Tam karışmış bölge ise hava, yakıt ve kalıntı gazları içeren bir karışımdan oluşur ve bu bölge kimyasal reaksiyona hazır haldedir. Bu modelde yanmaya ait hesaplamalar üç aşamada gerçekleştirilir: ön-yanma, yanma ve yanma sonrası. Ön-yanma prosesinde bütün reaktantlar gaz fazında kabul edilir ve bu bölümün analizi düşük sıcaklıkta yanma prosesi ve kendiliğinden tutuşma prosesi dikkate alınarak incelenir.

Yanma aşamasında kimyasal kinetik ve türbülans olayları değerlendirilir. Yüksek sıcaklıkta türbülans kontrolü ve türbülanslı alev hızı değerleri bu aşamada hesaplamalarda kullanılır. Karışım kompozisyonları; havanın, yanmamış yakıtın, yanmış hava-yakıt karışımının kütlesel fraksiyonları değerlendirilerek hesaplanır.

Yanma sonrası kısmında emisyon değerleri hesaplanır.

Magnussen Modeli (Eddy Break Up) [65]; bu modelde yanma esnasında ön karışımlı olmayan ve ön karışımlı olan yanma durumları dikkate alınır. Bu modelde yanma tek aşamalı ve tek yönlü, türbülanslı saçılım zaman ölçeği ile değerlendirilerek modellenir. Yakıtın, oksitleyicinin ve yanma ürünlerinin kütlesel oranları kullanılarak hacimsel yakıt sarfiyatı oranı tespit edilebilir.

Değişken Alev Modeli; tam yanmanın modellenmesinde ya da kendiliğinden tutuşma prosesinin modellenmesinde kullanılan bir modeldir. Bu modellemede reaksiyona giren maddelerin sıcaklıkları, basınçları, karışım oranları önemlidir.

Yanma prosesine ait hesaplamalarda detaylı kimyasal kinetik kullanılır [61].

Çok Katmanlı Etkileşimli Alev Modeli (Representative Interactive Flamelet/

Multiple Interactive Flamelet); bu modelde karışımın dinamik davranışı ile kimyasal davranışı birbirlerinden ayrı değerlendirilir. Alev yapısı, stokiyometrik karışım fraksiyonlarına göre tanımlanır. Alev yapılarının birbiri ile olan etkileşimleri alev yapısını tanımlayan diferansiyel denklemler ile ifade edilir. Modellemede RIF yaklaşımı ya da MIF yaklaşımları kullanılır [65].