A diplomaterv keretében megvalósítandó feladatok összefoglalása Diplomaterv céljai: 1 Sclieren résoptikai módszer numerikus szimulációk validálására való felhasználhatóságának vizsgálata 2 Lamináris előkevert láng numerikus szimulációja Elvégzendő feladatok: 1 Schlieren rögzített Schlieren kép feldolgozhatóvá tétele szűrési eljárások alkalmazásával a Schlieren optikai törvényszerűségeinek felhasználásával eltérülési szög-, majd törésmutató és hőmérséklet eloszlás számítása a számított hőmérséklet eloszlások ellenőrzésére referenciamérések készítése 2 Numerikus szimuláció modellalkotás (elhanyagolások, peremfeltételek) eredmények ellenőrzése (Schlieren, vagy referencia módszer)
1 A vizsgált láng -Égő
1 A vizsgált láng - Beállítások m& 94. 7 & lev m gáz 3 = m h = 20.2m λ = 0.49 3 h Kiválasztás szempontjai: stabil tartomány minél kisebb lángkúpszög hőmérséklet gradiens sugár irányú, a tengelyre merőleges fénysugár eltérülések nagyok elegendően nagy láng, hogy a mérőszonda minél kevésbé zavarja a kiáramlást, és az égést a Schlieren látótere Ø80mm
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések Feltételezések: a láng hengerszimmetrikus a vizsgált térrészben csak metán-levegő és CO 2 -H 2 O keveréke található meg a törésmutató nyomásfüggése elhanyagolható Ezek alapján a törésmutatót csak a hőmérséklettől tettem függővé. Kiértékelés menete: 1 felvétel készítése a sugár irányú eltérülést megjelenítve 2 felvételek zavarszűrése, tisztítása 3 a képek intenzitás eloszlásából eltérülési szög eloszlás számítása (felvétel sorozat szükséges, adott rés esetén számolható) 4 törésmutató numerikus integrálása egy szélső pont meghatározott értékéből kiindulva ( ) = i x = i λ r r x x y arch λ 1 λ ε, 2 µ arch k n0 = xi x λ 1 i 5 törésmutatóból hőmérsékletek számítása
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések Feltételezések: a láng hengerszimmetrikus a vizsgált térrészben csak metán-levegő és CO 2 -H 2 O keveréke található meg a törésmutató nyomásfüggése elhanyagolható Ezek alapján a törésmutatót csak a hőmérséklettől tettem függővé. Kiértékelés menete: 1 felvétel készítése a sugár irányú eltérülést megjelenítve 2 felvételek zavarszűrése, tisztítása 3 a képek intenzitás eloszlásából eltérülési szög eloszlás számítása (felvétel sorozat szükséges, adott rés esetén számolható) 4 törésmutató numerikus integrálása egy szélső pont meghatározott értékéből kiindulva ( ) = i x = i λ r r x x y arch λ 1 λ ε, 2 µ arch k n0 = xi x λ 1 i 5 törésmutatóból hőmérsékletek számítása
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések Feltételezések: a láng hengerszimmetrikus a vizsgált térrészben csak metán-levegő és CO 2 -H 2 O keveréke található meg a törésmutató nyomásfüggése elhanyagolható Ezek alapján a törésmutatót csak a hőmérséklettől tettem függővé. Kiértékelés menete: 1 felvétel készítése a sugár irányú eltérülést megjelenítve 2 felvételek zavarszűrése, tisztítása 3 a képek intenzitás eloszlásából eltérülési szög eloszlás számítása (felvétel sorozat szükséges, adott rés esetén számolható) 4 törésmutató numerikus integrálása egy szélső pont meghatározott értékéből kiindulva ( ) = i x = i λ r r x x y arch λ 1 λ ε, 2 µ arch k n0 = xi x λ 1 i 5 törésmutatóból hőmérsékletek számítása
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések ( ) = = = i i i i y k x x x r arch x r arch n x λ λ λ λ µ ε 1 0, 1 2
2 Schlieren képek kiértékelése - Feltételezések, alap összefüggések Feltételezések: a láng hengerszimmetrikus a vizsgált térrészben csak metán-levegő és CO 2 -H 2 O keveréke található meg a törésmutató nyomásfüggése elhanyagolható Ezek alapján a törésmutatót csak a hőmérséklettől tettem függővé. Kiértékelés menete: 1 felvétel készítése a sugár irányú eltérülést megjelenítve 2 felvételek zavarszűrése, tisztítása 3 a képek intenzitás eloszlásából eltérülési szög eloszlás számítása (felvétel sorozat szükséges, adott rés esetén számolható) 4 törésmutató numerikus integrálása egy szélső pont meghatározott értékéből kiindulva ( ) = i x = i λ r r x x y arch λ 1 λ ε, 2 µ arch k n0 = xi x λ 1 i 5 törésmutatóból hőmérsékletek számítása
3 Referencia mérések -Mérőrendszer 1 Ni-CrNi termoelem, huzal-átmérő: 0.1 mm, kalibrált, a forrasz átmérője: 0.15 mm 2 Számítógépes mintavételezés belső hőmérséklet kompenzációval 3 Precíz pozícionálás vízszintes mikrométer orsó függőleges fotóállvány a pozíció a Schlieren képeken is követhető
3 Referencia mérések - Sugárzás okozta hiba Relatív hiba értékei (T_gáz-T_termoelem)/T_termoelem *100 [%] - relatív hiba 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 500 1000 1500 2000 T_termoelem - a termoelemmel mért hőmérséklet
3 Referencia mérések - Borda hatás - Relatív hiba értékei (T_gáz-T_termoelem)/T_termoelem *100 [%] 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 200mm 100mm 50mm 20mm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 T_termoelem - a termoelemmel mért hőmérséklet [degc]
3 Referencia mérések - Mérési eredmények - Axiális profil Axiális hőmérséklet eloszlás r=0mm 45 40 35 z - magasság [mm] 30 25 20 15 10 5 0 termo sug-korr 0 500 1000 1500 2000 2500 t - hőmérséklet [degc]
3 Referencia mérések - Mérési eredmények - Radiális profil Radiális hőmérséklet eloszlás z=5mm 2400 2200 2000 termo sug-korr 1800 t - hőmérséklet [degc] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 r - sugár [mm]
4 Schlieren eredmények értékelése -Számított hőmérséklet profilok z=2.5 mm és z=10 mm T - hőmérséklet [degc] T - hőmérséklet [degc] 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2500 2000 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 r - sugár [mm] termoelem Schlieren 0 5 10 15 20 25 r - sugár [mm] termoelem Schlieren
4 Schlieren eredmények értékelése - Számított eredmények eltérésének főbb okai 1 köztes reakciótermékek elhanyagolása 2 a módszer érzékenysége magas hőmérséklet tartományban csökken 3 leképezés hibái (képrögzítés a fényforrás ellentétes oldalán, leképzés csiszolt üvegre) 4 a láng sugárzásának hatása (?)
5 Numerikus szimuláció A Fluentben megoldott egyenletek: impulzusmegmaradás energia kontinuitás anyagmegmaradás Feltételezések: a láng hengerszimmetrikus: 2D megoldás elegendő metán-levegő keverék egyenletes belépő sebesség profil Elhanyagolások: égőszáj lánghűtő-, kioltó hatása lángsugárzás Modellek (reakció mechanizmusok): 1 reakció (CH 4 +O 2 CO 2 +H 2 O) 3 reakció (van CO keletkezés) 84 reakció
5 Numerikus szimuláció - Peremfeltételek, háló
5 Numerikus szimuláció - Számítási stratégia A numerikus módszerek stabilitása és pontossága a számítással szemben ellentétes követelményeket támaszt. A stabilitás a sikeres számítás alapfeltétele, a stabilitást leginkább befolyásoló tényezők: egyenletek száma és bonyolultsága (modellezett tagok viselkedése) kiindulási állapot inicializálás háló közelítés fokszáma Számítási stratégia: 1 Égés nélküli kiáramlás számítása 2 Égés számítása
5 Numerikus szimuláció - Eredmények hőmérséklet eloszlások normál Schlieren 1 reakció 3 reakció 84 reakció
5 Numerikus szimuláció - Eredmények CH 4 eloszlásai normál Schlieren 1 reakció 3 reakció 84 reakció
5 Numerikus szimuláció - Eredmények OH eloszlás normál Schlieren 84 reakció
5 Numerikus szimuláció - Eredmények Axiális hőmérséklet profil 50 45 40 termoelem Methane-Air 1 step DRM-19 Methane-Air 2 step 35 z - magasság [mm] 30 25 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 t - hőmérséklet [degc]
5 Numerikus szimuláció - Eredmények Radiális hőmérséklet profil z=5 mm 2400 2200 2000 sug-korr Methane-Air 1 step DRM-19 Methane-Air 2 step 1800 t - hőmérséklet [degc] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 r - sugár [mm]
6 Összefoglalás 1 Schlieren értékelése a Schlieren képek az alkalmazott módszerrel hőmérséklet-eloszlás számítására nem alkalmasak a közbenső reakciótermékek figyelembe vételére megoldás lehet a numerikus szimuláció eredményeiből előállított Schlieren kép alkalmazása a Schlieren képek jelentősége változatlan (belső, szabad szemmel nem látható folyamatok láthatóvá tétele) 2 Numerikus szimuláció értékelése az egy és kétreakciós modellek pontatlanok, az összetett mechanizmus számításigénye nagy. Az optimális mindig a problémának megfelelő, minél egyszerűbb mechanizmus elhanyagolások körét csökkenteni kell
Köszönöm a figyelmüket!
7 Bírálói kérdések, megjegyzések 1 Termoelem korrekció Ahőátadási tényező a bordahatás vizsgálatánál a borda mellett a valóságban kisebb, mint a forraszra felvett hőátadási tényező. 2 A Schlieren felvételekből számított hőmérséklet-profilok eltérésének oka lehet az átmeneti reakciótermékek törésmutatóra gyakorolt hatása. 3 A végeredményt erősen befolyásoló elhanyagolások a numerikus szimulációk során: sugárzás egyéb komponensek 4 A vizsgált tartomány kicsi, a láng némely esetben a számítási tartományból kicsúszott.
8 Referencia mérések - Sugárzás okozta hiba - MODELL Állandósult állapotra: a konvektív hőfelvétel és sugárzással leadott hő megegyezik. ( ) 4 4 T T = σ ( T T ) α = ε gáz termoelem termoelem termoelem α értékének meghatározása irodalomban közölt mérési eredmények alapján: Nu 0.4 = Pr Re 0.3891 A számításokhoz felhasznált jellemző értékek: levegő anyagjellemzői 800 C-on kilépési sebesség az égőszájnál (térfogatáramból) jellemző méret forrasz átmérője W α 471 2 m K T gáz kifejezhető T termoelem függvényében
8 Referencia mérések - Borda hatás - MODELL A termoelemet egy kétágú, 20mm hosszú bordának feltételezve: Q& borda α U α U = λ H λ Aborda ( t t ) th A mért környezet λ borda A forrasz által konvekció útján felvett hőáram: Q& forrasz = α ( t t ) A gáz mért gömb A két hőáram állandósult állapotban megegyezik, t gáz kifejezhető: t λ 4 α 2 4 α = gáz α λ d d d + λ ( t t ) th H t mért környezet mért