Reaktif Akış Sistemlerinde Türbülanslı CFD Simülasyonu: Isı Transferi, DPM, Kimyasal Reaksiyon ve Akustik Analiz

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD – Computational Fluid Dynamics), modern mühendisliğin en güçlü simülasyon araçlarından biridir. Akışkanların davranışlarını, ısı transferini, türbülans etkilerini ve çok fazlı sistemleri analiz etmek için kullanılan CFD yöntemleri, bugün otomotivden havacılığa, enerji sektöründen kimya mühendisliğine kadar birçok alanda aktif olarak kullanılmaktadır.

Bu yazımızda, özellikle reaktif akış sistemlerinin türbülanslı simülasyonu üzerine odaklanıyoruz. Örnek olarak bir yanma odasındaki hava-yakıt karışımını ve yanma süreçlerini ele alacağız. Ayrıca ısı transferi, damlacık hareketleri (DPM), kimyasal reaksiyonlar ve aeroakustik analizleri de Fluent yazılımı üzerinde nasıl gerçekleştireceğimizi detaylandıracağız.

CFD Nedir?

CFD (Computational Fluid Dynamics), akışkanlar mekaniği problemlerini sayısal olarak çözmek için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemle, akışkanlar içerisindeki hız, basınç, sıcaklık ve türbülans gibi parametreler analiz edilebilir. CFD analizleri özellikle yüksek hız, sıcaklık değişimleri ve karmaşık geometriye sahip sistemlerde fiziksel prototipe gerek kalmadan sonuç üretme avantajı sağlar.

Reaktif Akış Nedir?

Reaktif akış, içerisinde kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği akışlardır. Bu sistemlerde sadece akış ve ısı transferi değil, aynı zamanda tür değişimleri, yanma ürünleri oluşumu ve enerji salınımları da dikkate alınmalıdır.

Kullanım Alanları:

• Motor içi yanma simülasyonları
• Yakma sistemleri ve kazanlar
• Kimyasal reaktörler
• HVAC sistemlerinde gaz sensörü analizleri

Simülasyon Senaryosu: Türbülanslı, Reaktif, Çok Fazlı Akış

🌐 Senaryo Tanımı:

Dikdörtgen kesitli bir yanma odasına hava (oksidan) girişi ve damlacık formunda metan (CH₄) enjeksiyonu yapılmaktadır. Bu ortamda türbülanslı akış, ısı transferi, parçacık hareketi (DPM), kimyasal reaksiyonlar ve yanma gerçekleşmektedir. Ayrıca aeroakustik davranışlar da izlenmek istenmektedir.

Fluent ile CFD Kurulumu – Adım Adım

1. Geometri ve Mesh

• Geometri: 0.2 m × 0.2 m × 0.5 m boyutlarında yanma odası
• Girişler: Hava ve yakıt enjeksiyonu için iki ayrı bölge
• Mesh: Tetrahedral veya hexahedral ağ yapısı, sınır tabakaları (inflation layers) ve iyi kalite (<0.95 skewness) önerilir

2. Genel Solver Ayarları

3. Türbülans Modeli

• Realizable k-ε modeli + Enhanced Wall Treatment
• Duvar yakınındaki akışlar için: k-ω SST
• Aeroakustik analiz için: LES / DES

4. Malzeme ve Fiziksel Özellikler

• Ana akışkan: Air – ideal gaz olarak tanımlanır
• Yakıt: Metan (CH₄), CO₂ ve H₂O ürünleri tanımlanmalı
• Yoğunluk, viskozite, iletkenlik: Sıcaklığa bağlı tanımlar önerilir

5. Isı Transferi

• Fluent içerisinde Energy Equation aktif edilerek gerçekleştirilir
• Duvarlarda sabit sıcaklık veya ısı akısı sınır şartı tanımlanabilir
• Sıcaklık konturları, ısı yayılım bölgeleri post-processing ile analiz edilir

6. DPM (Discrete Phase Model – Parçacık Takibi)

• Sıvı yakıt enjeksiyonu için kullanılır
• Damlacık çapı: 20–100 µm
• Buharlaşma ve yanma için: evaporating ve combusting modelleri aktif edilir
• İzleme: Particle Tracks, Residence Time, Temperature History

7. Kimyasal Reaksiyonlar (Yanma)

Aktif Edilmesi:

• Species Transport Model → Enable Reactions

Yanma Modeli:

• Eddy Dissipation + Finite Rate
• Reaksiyon: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Türlerin Tanımı:

• Oksijen (O₂), Metan (CH₄), Karbon Dioksit (CO₂), Su Buharı (H₂O)
• Fluent içerisinde otomatik olarak tanımlanabilir

8. Sınır Şartları

9. Çözümleme ve Konsantrasyon Takibi

• Species Mass Fractions (CH₄, CO₂, O₂, H₂O)
• Tepki oranı, heat release rate
• DPM partiküllerinin konum ve sıcaklık zaman serileri
• y+ değerleri ile mesh yeterliliği kontrolü

🔊 Aeroakustik (Akustik Analiz)

CFD ile yalnızca akışkan hareketi değil, aynı zamanda gürültü analizi (aeroakustik) de yapılabilir.

Yöntemler:

1. Broadband Noise Source Model: k-ε tabanlı, hızlı ve kabaca sonuç verir
2. Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) Yöntemi: LES ile hassas zaman serileri oluşturur
3. Transient LES + Acoustic Surface: Gürültü kaynaklarının konumu ve frekans tayini yapılır

Sonuçların Görselleştirilmesi

CFD’nin Gücü: Deney Yapmadan Optimizasyon

Bu tür çok-fizikli simülasyonlar sayesinde;

• Yanma verimliliği artırılabilir
• Isıl kayıplar ve sıcak noktalar tespit edilebilir
• Yakıt tüketimi analiz edilerek optimize edilir
• Emisyon kaynakları belirlenerek çevresel etki azaltılır
• Gürültü kontrolü için tasarımsal iyileştirme yapılabilir

CFD, mühendisliğin karmaşık çok-fizikli problemlerine çözüm üretmede eşsiz bir araçtır. Bu yazıda aktardığımız reaktif, türbülanslı, çok fazlı akış sistemlerinin analizi, Fluent yazılımı kullanılarak başarıyla gerçekleştirilebilir. Özellikle endüstriyel yanma sistemlerinin optimizasyonu ve çevresel gerekliliklere uygun tasarım için bu analizler artık vazgeçilmezdir.

Fetech İleri Mühendislik olarak…

Sizler için yüksek hassasiyetli, HPC destekli CFD analizleri yapıyoruz. Yanma odalarından egzoz sistemlerine, HVAC’tan emisyon analizine kadar geniş bir uygulama alanında proje desteği sunuyoruz.

📧 Bizimle iletişime geçin: info@fetech.com.tr