Renksiz Dağıtılmış Yanma Şartlarının Laboratuvar Ölçekli Bir Yakıcıda Sentetik Yakıt Yanma Karakteristiklerine Olan Etkilerinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, alevsiz yanma teknolojileri arasında yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkan Renksiz Dağıtılmış Yanma (RDY) koşullarında sentetik yakıtların yanma karakteristikleri incelenmiştir. Çalışma kapsamında, CH₄ yakıtına CO ve H₂ gazları ilave edilerek H₂/CO: 3 (%25 CH₄–%56,25 H₂–%18,75 CO) ve H₂/CO:1,5 (%25 CH₄–%45 H₂–%30 CO) olacak şekilde iki farklı sentetik yakıt karışımı oluşturulmuş ve bu karışımların RDY koşullarındaki yanma karakteristikleri, ϕ=0,7 eşdeğerlik oranında; 3 kW gücünde, ön karışımlı ve girdap destekli (S=1) laboratuvar ölçekli bir yanma odasında, sayısal olarak analiz edilmiştir. Elde edilen eksenel sıcaklık dağılımları, literatürde aynı H₂/CO oranları ve benzer bileşimler için rapor edilen deneysel veriler ile karşılaştırılarak model doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Sentetik yakıtların RDY koşulları altındaki yanma davranışları sayısal olarak, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yaklaşımı altında, CO oksidasyonu, CH₄ oksidasyonu ve H₂ oksidasyonu reaksiyonlarını kapsayan global reaksiyon mekanizmalarının ANSYS Fluent ortamına entegre edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. RDY koşulları, seyreltici olarak N2 kullanımıyla oksitleyici olarak kullanılan havadaki O₂ konsantrasyonu %21’den %1 aralıklarla %17 O₂ oranına kadar değiştirilmesiyle oluşturulmuş, bu koşullar altında yakıt karışımına ait eksenel sıcaklık dağılımı, radyal sıcaklık dağılımı ile yanma reaksiyonunda bulunan O₂, CO, CO₂ ve NOₓ türlerinin radyal eksen boyunca kütle oranı dağılımları incelenmiş ve RDY davranışı üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. O2 oranının %21’den %17 O2 azalmasıyla birlikte maksimum sıcaklık değerlerinin azaldığı, sıcaklık dağılımının daha yayılı ve yanma bölgesinin daha geniş bir alana yayıldığı gözlenmiştir. Ayrıca, radyal sıcaklık dağılımları ve reaksiyonlardaki CO₂, CO, NOx ve O₂ türlerin kütle dağılım sonuçları değerlendirildiğinde; RDY davranışına uygun olarak O₂ azaldığında, emisyon ve sıcaklık değerlerinin yanma odası boyunca ve radyal uzaklık arttıkça azaldığı görülmüştür. H₂/CO: 3 ve H₂/CO :1,5 oranlarına sahip sentetik yakıt karışımının laboratuvar ölçekli ön karışımlı bir yakıcıda RDY altında yanma karakteristiklerinin sayısal olarak incelendiği bu çalışmada, yakıt bileşiminin (H₂/CO oranı) ve oksitleyici içerisindeki O₂ konsantrasyonunun sentetik yakıtların yanma karakteristikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Renksiz Dağıtılmış Yanma
• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
• HAD
• Yanma
• Sentetik Yakıt

Supporting Institution

Türk Havacılık ve Uzay Sanayi A.Ş.

Ethical Statement

Bu çalışma özgün olup, herhangi bir etik ihlal içermemektedir. Çalışmada kullanılan tüm veriler yazarlar tarafından üretilmiş ve literatüre uygun şekilde referanslandırılmıştır.

Thanks

Yazarlar, bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde sağladığı katkılardan dolayı Türk Havacılık ve Uzay Sanayi A.Ş.'ye teşekkür eder.

Numerical Investigation of Colorless Distributed Combustion Characteristics of Synthetic Fuel in a Laboratory-Scale Combustor

Abstract

In this study, the combustion characteristics of synthetic fuels under Colorless Distributed Combustion (CDC) conditions—an innovative approach among flameless combustion technologies—were investigated. For this purpose, two different synthetic fuel mixtures were formulated by adding CO and H₂ gases to CH₄ fuel, resulting in H₂/CO ratios of 3 (25% CH₄–56.25% H₂–18.75% CO) and H₂/CO: 1.5 (25% CH₄–45% H₂–30% CO); the combustion characteristics of these mixtures under CDC conditions were numerically analyzed at an equivalence ratio of ϕ=0.7; in a 3 kW, premixed, and swirl-assisted (S=1) laboratory-scale combustion chamber. The model was verified by comparing the obtained axial temperature distributions with experimental data reported in the literature for the same H₂/CO ratios and similar compositions. The combustion behavior of synthetic fuels under CDC conditions was simulated numerically using the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach, by integrating global reaction mechanisms—including CO oxidation, CH₄ oxidation, and H₂ oxidation reactions—into the ANSYS Fluent software. The CDC conditions were established by varying the concentration of O₂ in the air—used as the oxidizer—from 21% down to 17% in 1% increments, using N₂ as the diluent; the axial temperature distribution of the fuel mixture, the radial temperature distribution, and the mass fraction distributions of O₂, CO, CO₂, and NOₓ species along the radial axis during the combustion reaction were analyzed and their effects on CDC behavior were evaluated. It was observed that as the O₂ concentration decreased from 21% to 17%, maximum temperature values decreased, the temperature distribution became more uniform, and the combustion zone spread over a wider area. In terms of the mass distribution results for CO₂, CO, NOx, and O₂ species in the reactions and the radial temperature distributions, it was observed that, consistent with CDC behavior, as O₂ levels decreased, emission and temperature values decreased along the combustion chamber and with distance from the center. In this study, which numerically investigated the combustion characteristics of a synthetic fuel mixture with H₂/CO ratios of 3 and 1.5 in a laboratory-scale premixed burner under CDC conditions, it was concluded that fuel composition (H₂/CO ratio) and the O₂ concentration in the oxidizer have a significant effect on the combustion characteristics of synthetic fuels.

Keywords

• Colourless Distributed Combustion
• Computational Fluid Dynamics
• CFD
• Combustion
• Synthetic Fuel

Supporting Institution

Turkish Aerospace Inc.

Ethical Statement

This study is novel and does not involve any ethical violations. All data used in the study were generated by the authors and cited in accordance with established literature standards.

Thanks

The authors thank to Turkish Aerospace Industry, Inc. due to supports during the preparation of this article.

References

1. [1] Khalil, A.E., Gupta, A.K., 2017. Acoustic and heat release signatures for oxy-fuel swirl assisted distributed combustion. Applied Energy, 193, 125–138. https://doi.org: 10.1016/j.apenergy.2017.02.030.
2. [2] Selvam, C., Devarajan, Y., Nagappan, B., et al., 2025. Sustainable fuel solutions: a comprehensive review of syngas in internal combustion engines. Chemical Papers, 79, 019–4027. https://doi.org/10.1007/s11696-025-04069-6.
3. [3] Bouziane, A., Cozzi, F., Lahcene, A., Aminallah, M., Khalfi, A., Coghe, A., 2008. Experimental results on swirl-stabilized syngas flames by transverse fuel injection. International Journal of Thermal Sciences, 47(2), 137–142.
4. [4] Khalil Hasan, A.E.E.D., 2013. Investigation of Colorless Distributed Combustion (CDC) with Swirl for Fuel Flexible Gas Turbine Combustors. PhD Dissertation, University of Maryland.
5. [5] Karyeyen, S., Feser, J.S., Gupta, A.K., 2019. Hydrogen concentration effects on swirl-stabilized oxy-colorless distributed combustion. Fuel, 253, 772–780. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.008.
6. [6] Yılmaz, H., Yılmaz, İ., 2019. Combustion and emission characteristics of premixed CNG/H₂/CO/CO₂ blending synthetic gas flames in a combustor with variable geometric swirl number. Energy, 172, 117–133. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.153.
7. [7] Çam, Ö., 2019. Sentetik Yakıtların Yanma Kararsızlığının Deneysel İncelenmesi. Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi, Kayseri.
8. [8] Türkkahraman, Z., Alabaş, B., 2026. Effect of oxy-fuel combustion on temperature, flame speed and NOx emission values of methane-ammonia flames in a model gas turbine combustor. Fuel, 422, 139138. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2026.139138.

9. [9] İlbaş, M., Karyeyen, S., 2015. A numerical study on combustion behaviours of hydrogen-enriched low calorific value coal gases. International Journal of Hydrogen Energy, 40(44), 15218–15226. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.04.141.
10. [10] Salem, E., 2018. Numerical Simulations of Premixed Flames of Multi-Component Fuels/Air Mixtures and Their Applications. M.S. Thesis, University of Kentucky.
11. [11] Habib, M.A., Mokheimer, E.M.A., Sanusi, S.Y., Nemitallah, M.A., 2014. Numerical investigations of combustion and emissions of syngas as compared to methane in a 200MW package boiler. Energy Conversion and Management, 83, 296–305. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.056.
12. [12] Ammar, N.R., Farag, A.I., 2016. CFD modeling of syngas combustion and emissions for marine gas turbine applications. Polish Maritime Research, 23(3), 39–49. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0030.
13. [13] Chen, Z., Li, Y., Wang, J., Zhang, X., 2024. Experimental and numerical investigation of CO/H₂ synthetic fuel combustion in a micromix swirl combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 49, 15432–15445. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.243.
14. [14] Kümük, O., 2025. Colorless distributed combustion effects on hydrogen-enriched methane fuels combustion in a laboratory-scale combustor. Fuel, 381, 133590. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133590.
15. [15] Costa, M., Giacomazzi, A., De Iuliis, S.F., 2024. Numerical investigation of combustion characteristics of H₂/CO synthetic fuel blends using CFD modelling. Energies, 17(3). https://doi.org/10.3390/en17030674.
16. [16] Ashini, H., Tabejamaat, S., Bastani, M., 2025. Experimental and numerical study on combustion of biogas/lean-hydrogen syngas mixtures in a microturbine combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 102, 1–19. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.01.001.
17. [17] Alabaş, B., Tunç, G., Taştan, M., Yılmaz, İ., 2020. Experimental investigation of the oxygen enrichment in synthetic gases flames. Fuel, 270, 117482. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117482
18. [18] Cheng, R.K., 2006. Low swirl combustion. In: The Gas Turbine Handbook. National Energy Technology Laboratory, USA, pp. 241–255.
19. [19] Turns, S.R., 2000. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, 2nd ed. McGraw-Hill.
20. [20] Van den Broek, S.A.W., 2017. Towards flameless combustion in gas turbine engines. M.Sc. Thesis, Delft University of Technology.
21. [21] ANSYS Inc., 2010. ANSYS Fluent Theory Guide – Turbulence Modeling. https://www.academia.edu/36090206/Lecture_7_Turbulence_Modeling_Introduction_to_ANSYS_Fluent, erişim 18.03.2026.
22. [22] Shih, T.H., Liou, W.W., Shabbir, A., Yang, Z., Zhu, J., 1995. A new k–ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows. Computers & Fluids, 24, 227–238.
23. [23] Arghode, V.K., Gupta, A.K., 2011. Hydrogen addition effects on methane–air colorless distributed combustion flames. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 6292–6302.
24. [24] Yılmaz, H., 2020. Assessment of combustion and emission characteristics of various gas mixtures under different combustion techniques. International Journal of Energy Studies, 5(1), 13–41. https://izlik.org/JA38UR24NP.
25. [25] ANSYS Inc., 2010. ANSYS Meshing User’s Guide. https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=////////Views/Secured/corp/v242/en/wb_msh/msh_book_wb.html erişim 18.03.2026.
26. [26] Modest, M.F., 2013. Radiative Heat Transfer, 3rd ed. Elsevier.
27. [27] Peng, Q., Lou, X., Wu, X., Zhang, Y., Ma, C., Hu, F., et al., 2026. Progress in CFD numerical study on hydrogen and its blended homogeneous fuels combustion. International Journal of Hydrogen Energy. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153806.
28. [28] Arrhenius, S., 1889. Über die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Inversion von Rohrzucker durch Säuren. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 4, 226–248. https://doi.org/10.1515/ZPCH-1889-0116.
29. [29] Westbrook, C.K., Dryer, F.L., 1981. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combustion Science and Technology, 27, 31–43. https://doi.org/10.1080/00102208108946970.
30. [30] Wang, P., 2016. The model constant A of the Eddy Dissipation Model. Progress in Computational Fluid Dynamics, 16(2). https://doi.org/10.1504/PCFD.2016.075154.
31. [31] Halouane, Y., Debhi, A., 2017. CFD simulations of premixed hydrogen combustion using the Eddy dissipation and the turbulent flame closure models. International Journal of Hydrogen Energy, 42, 21990–22004. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.07.075.