Ανάπτυξη σκελετικών μηχανισμών χημικής κινητικής καύσης μεθανίου για εφαρμογές ναυτικών κινητήρων

Φωκάς, Νικόλαος; Fokas, Nikolaos

dc.contributor.author	Φωκάς, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Fokas, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2017-10-27T09:09:03Z
dc.date.available	2017-10-27T09:09:03Z
dc.date.issued	2017-10-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45824
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14783
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Καύση	el
dc.subject	Μεθάνιο	el
dc.subject	Χημική κινητική καύση	el
dc.subject	Μηχανισμός χημικής κινητικής καύσης	el
dc.subject	Combustion	en
dc.subject	Methane	el
dc.subject	Chemical kinetics combustion	el
dc.subject	Mechanism of chemical kinetics combustion	el
dc.title	Ανάπτυξη σκελετικών μηχανισμών χημικής κινητικής καύσης μεθανίου για εφαρμογές ναυτικών κινητήρων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ναυτική μηχανολογία	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-20
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο τη δημιουργία ενός σκελετικού μηχανισμού χημικής κινητικής, με εφαρμογή της μεθόδου SEM-CM (Simulation Error Minimization Connectivity Method), για εφαρμογές καύσης μεθανίου (CH4) σε ένα μεγάλο εύρος συνθηκών πίεσης, θερμοκρασίας και λόγου ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα, αντιπροσωπευτικό της λειτουργίας ναυτικών κινητήρων διπλού καυσίμου. Ο όρος σκελετικός δηλώνει ότι ο συγκεκριμένος μηχανισμός χημικής κινητικής περιλαμβάνει έναν μικρό αριθμό χημικών αντιδράσεων, όπως αυτές περιλαμβάνονται στον λεπτομερή μηχανισμό, με τις ίδιες τιμές των παραμέτρων της ειδικής σταθεράς αυτών. Στο πλαίσιο της μεθόδου SEM-CM, η μείωση του λεπτομερούς μηχανισμού γίνεται με βάση τον χαρακτηρισμό της σημαντικότητας των χημικών ενώσεων που πρέπει να διατηρηθούν στον σκελετικό μηχανισμό. Στόχος ενός σκελετικού μηχανισμού είναι αυτός να προσεγγίζει με ακρίβεια το σύνολο των αποτελεσμάτων του λεπτομερούς μηχανισμού σε πρότυπα προβλήματα. Εδώ, χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα προβλήματα για την αξιολόγηση των σκελετικών μηχανισμών που παρήχθηκαν: (α) στρωτή φλόγα προανάμιξης, (β) αυτανάφλεξη σε ομογενές μίγμα δεδομένων αρχικών συνθηκών, και (γ) αντιδραστήρας πλήρους ανάμιξης. Το σημαντικό πρώτο βήμα προς τη δημιουργία ενός σκελετικού μηχανισμού είναι η αξιολόγηση λεπτομερών μηχανισμών, για την επιλογή των πλέον κατάλληλων προς περαιτέρω διερεύνηση. Εδώ, αξιολογήθηκαν τρεις λεπτομερείς μηχανισμοί, συγκεκριμένα ο μηχανισμός CRECK C1-C3, ο μηχανισμός NUIG-NGM και ο μηχανισμός ELTE-Optimized Ethanol. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τους τρεις μηχανισμούς αξιολογήθηκαν με σύγκριση με πειραματικά δεδομένα στο πλαίσιο των ως άνω πρότυπων προβλημάτων. Οι υπολογισμοί έγιναν με χρήση του κώδικα CHEMKIN. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα κατέδειξαν την πολύ καλή συμπεριφορά του μηχανισμού NUIG-NGM καί για τα τρία πρότυπα προβλήματα, καθώς και την εν γένει καλή συμπεριφορά του μηχανισμού ELTE-Optimized Ethanol (με κάποια υστέρηση στο πρόβλημα του αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης). Έτσι, οι συγκεκριμένοι δύο μηχανισμοί προκρίθηκαν ως βάσεις για τη δημιουργία σκελετικών μηχανισμών. Ο αλγόριθμος SEM-CM, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία για τη δημιουργία σκελετικών μηχανισμών, εκκινά με βάση μια εκτίμηση των σημαντικών χημικών ενώσεων του λεπτομερούς μηχανισμού. Στην παρούσα εργασία, η εύρεση των εν λόγω ενώσεων έγινε με χρήση ανάλυσης ευαισθησίας (στους λεπτομερείς μηχανισμούς), με χρήση του κώδικα CHEMKIN. Η ανάλυση ευαισθησίας έγινε καί για τα τρία πρότυπα προβλήματα που χρησιμοποιούνται, για ένα ευρύ εύρος συνθηκών πίεσης, θερμοκρασίας και λόγου ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα, που είναι αντιπροσωπευτικές των συνθηκών της καύσης μεθανίου σε ναυτικούς κινητήρες. Από την ανάλυση ευαισθησίας προέκυψαν οι σημαντικές στοιχειώδεις αντιδράσεις της καύσης του μεθανίου. Ως σημαντικές χημικές ενώσεις θεωρήθηκαν αυτές που ενυπάρχουν στις σημαντικές χημικές αντιδράσεις, και συνιστούν μια πρώτη εκτίμηση προς τη δημιουργία του τελικού σκελετικού μηχανισμού. 4 Με χρήση της μεθόδου SEM-CM, η αρχική διαμόρφωση ενός σκελετικού μηχανισμού εμπλουτίζεται σταδιακά με νέες (σημαντικές) ενώσεις. Οι δυνατές επιλογές αναφορικά με αυτές τις ενώσεις προκύπτουν από τον υπολογισμό του Ιακωβιανού πίνακα. Ακολούθως, θεωρούνται μηχανισμοί που συνίστανται στην ως άνω αρχική εκτίμηση με πρόσθεση ενός μικρού κάθε φορά αριθμού ενώσεων οι οποίες είναι εν δυνάμει σημαντικές. Οι μηχανισμοί αυτοί αξιολογούνται με υπολογισμό μιας συνάρτησης σφάλματος, η οποία ποσοτικοποιεί την απόκλιση των αποτελεσμάτων του εξεταζόμενου μειωμένου μηχανισμού από τα αποτελέσματα του λεπτομερούς μηχανισμού, για το πρόβλημα του αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης, σε ευρύ πλαίσιο συνθηκών λειτουργίας. Με τη διαδικασία αυτή, προέκυψαν τελικά δύο σκελετικοί μηχανισμοί, με βάση τους λεπτομερείς μηχανισμούς NUIG-NGM και ELTE-Optimized Ethanol. Οι δύο σκελετικοί μηχανισμοί αξιολογήθηκαν περαιτέρω με σύγκριση με πειραματικά δεδομένα, για τα τρία πρότυπα προβλήματα της παρούσας εργασίας. Από τη σύγκριση προέκυψε η συνολική υπεροχή του σκελετικού μηχανισμού ο οποίος προέκυψε με βάση τον μηχανισμό NUIG-NGM, ο οποίος είναι και ο τελικά προτεινόμενος σκελετικός μηχανισμός για την καύση μεθανίου. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει 28 χημικές ενώσεις και 119 χημικές αντιδράσεις. Εξαιτίας του μειωμένου μεγέθους του, ο μηχανισμός είναι κατάλληλος για χρήση σε κώδικες Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής, για τη μελέτη καύσης μεθανίου (φυσικού αερίου) σε ναυτικούς κινητήρες.	el
heal.advisorName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	142 σ.
heal.fullTextAvailability	true