1. JEECS
  2. Всі випуски
  3. Випуск 10, Номер 2, 2024
  4. Високоточне RANS CFD моделювання фізико-хімічних процесів горіння в камерах згоряння газових турбін в ANSYS CFX

Високоточне RANS CFD моделювання фізико-хімічних процесів горіння в камерах згоряння газових турбін в ANSYS CFX

JEECS.
2024;
Випуск 10, Номер 2
: c. 81 – 95
https://doi.org/10.23939/jeecs2024.02.081
Надіслано: Жовтень 02, 2024
Переглянуто: Жовтень 30, 2024
Прийнято: Листопад 06, 2024

M. Hajivand. High-fidelity RANS CFD simulations of physico-chemical process of combustion in gas turbine combustion chambers in ANSYS CFX. Energy Engineering and Control Systems, 2024, Vol. 10, No. 2, pp. 81 – 95. https://doi.org/10.23939/jeecs2024.02.081

Автори:
  1. Масуд Хаджіванд
1
Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

У цьому дослідженні розглядається валідація і точність основних параметрів, включаючи розподіл температури і викиди оксидів азоту (NOx) на виході з камери згоряння газової турбіни за допомогою високоточного CFD моделювання методом Нав'є-Стокса, усередненого за Рейнольдсом (RANS). Процес згоряння пропану(C3H8)-повітря моделюється в ANSYS CFX з використанням трьох різних моделей турбулентності, включаючи стандартну k-ε, RNG k-ε і перенесення напруги зсуву (SST), а також різних моделей горіння, таких як модель вихрового розсіювання (EDM), гібрид вихрового розсіювання і хімії кінцевих швидкостей (EDM/FRC), і модель полум'я, включаючи модель випромінювання P-1. Було проведено ретельний аналіз чутливості з використанням дрібних, середніх і грубих неструктурованих розрахункових сіток для підвищення надійності і точності результатів. Отримані результати моделювання показали, що для температури на виході стандартна модель турбулентності k-ε в поєднанні з моделлю горіння Flamelet дає середнє відхилення -6,8%, тоді як k-ε в поєднанні з EDM дає середнє відхилення -9,9%. Найменше відхилення викидів NOх на виході з камери згоряння (2,3%) було отримано при використанні моделі згоряння EDM/FRC в поєднанні з моделлю SST. В той час, як та ж модель згоряння в поєднанні зі стандартною k-ε та RNG k-ε моделями продемонструвала більше середнє відхилення 13,6% та 15,4%, відповідно, при прогнозуванні викидів NOх.

спалювання
викиди
обчислювальна гідрогазодинаміка
турбулентність
модель Flamelet
валідація
вихрове розсіювання
  1. Oberkampf, W. L., & Trucano, T. G. (2002). Verification and validation in computational fluid dynamics. Progress in Aerospace Sciences/Progress in Aerospace Sciences, 38(3), 209–272. https://doi.org/10.1016/S0376-0421(02)00005-2
  2. Schlesinger, S. (1979) Terminology for Model Credibility. Simulation, 32, 103-104. https://doi.org/10.1177/003754977903200304
  3. Zhukov, V. P. (2012). Verification, Validation, and Testing of Kinetic Mechanisms of Hydrogen Combustion in Fluid-Dynamic Computations. ISRN Mechanical Engineering, 2012, 1–11. https://doi.org/10.5402/2012/475607
  4. Bhurat, S., Pandey, S., Chintala, V., Jaiswal, M., & Kurien, C. (2022). Effect of novel fuel vaporiser technology on engine characteristics of partially premixed charge compression ignition (PCCI) engine with toroidal combustion chamber. Fuel, 315, 123197. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123197
  5. Becker, L. G., Kosaka, H., Böhm, B., Doost, S., Knappstein, R., Habermehl, M., Kneer, R., Janicka, J., & Dreizler, A. (2017b). Experimental investigation of flame stabilization inside the quarl of an oxyfuel swirl burner. Fuel, 201, 124–135. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.09.002
  6. Aerospace Mechanical and Mechatronic Engineering - The University of Sydney. (n.d.). https://web.aeromech.usyd.edu.au/thermofluids/swirl.php
  7. Ferziger, J. H., & Perić, M. (2002). Introduction to Numerical Methods. In Springer eBooks (pp. 21–37). https://doi.org/10.1007/978-3-642-56026-2_2
  8. Eckbreth, A. C. (2022). Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species. https://doi.org/10.1201/9781003077251
  9. KoHse-HoingHaus, N. (2002). Applied Combustion Diagnostics. In CRC Press eBooks. https://doi.org/10.1201/9781498719414
  10. Masri, A. R. (2011). Design of Experiments for Gaining Insights and Validating Modeling of Turbulent Combustion. In Fluid mechanics and its applications (pp. 355–380). https://doi.org/10.1007/978-94-007-0412-1_15
  11. Borghi, R. (1988). Turbulent combustion modelling. Progress in Energy and Combustion Science, 14(4), 245–292. https://doi.org/10.1016/0360-1285(88)90015-9
  12. ANSYS, Inc. (2015) ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 16.2 https://www.ansys.com/
  13. Serbin, S., Burunsuz, K., Chen, D., & Kowalski, J. (2022). Investigation of the Characteristics of a Low-Emission Gas Turbine Combustion Chamber Operating on a Mixture of Natural Gas and Hydrogen. Polish Maritime Research, 29(2), 64–76. https://doi.org/10.2478/pomr-2022-0018
  14. Launder, B. E., & Spalding, D. B. (1972). Lectures in mathematical models of turbulence. http://ci.nii.ac.jp/ncid/BA04677540
  15. Matveev, I. B., Serbin, S. I., Vilkul, V. V., & Goncharova, N. A. (2015). Synthesis Gas Afterburner Based on an Injector Type Plasma-Assisted Combustion System. IEEE Transactions on Plasma Science, 43(12), 3974–3978. https://doi.org/10.1109/TPS.2015.2475125
  16. Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
  17. Li, Q., Yang, H., Wang, Y., & Wang, P. (2015). Accuracy improvement of the modified EDM model for non-premixed turbulent combustion in gas turbine. Case Studies in Thermal Engineering, 6, 69–76. https://doi.org/10.1016/j.csite.2015.07.002
  18. Magnussen, B. F., & Hjertager, B. H. (1977b). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4
  19. Gabler, H., Yetter, R., & Glassman, I. (1998). Asymmetric whirl combustion - A new approach for non-premixed low NO(x) gas turbine combustor design. 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. https://doi.org/10.2514/6.1998-3530
  20. Mongia, H. (2008). Recent Progress in Comprehensive Modeling of Gas Turbine Combustion. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. https://doi.org/10.2514/6.2008-1445
  21. Gobbato, P., Masi, M., Toffolo, A., & Lazzaretto, A. (2011). Numerical simulation of a hydrogen fuelled gas turbine combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 36(13), 7993–8002. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.01.045
  22. Peters, N. (1984). Laminar diffusion flamelet models in non-premixed turbulent combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 10(3), 319–339. https://doi.org/10.1016/0360-1285(84)90114-x
  23. Chitgarha, F., & Mardani, A. (2018). Assessment of steady and unsteady flamelet models for MILD combustion modeling. International Journal of Hydrogen Energy, 43(32), 15551–15563. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.071
  24. Gamil, A. A., Nikolaidis, T., Lelaj, I., & Laskaridis, P. (2020). Assessment of numerical radiation models on the heat transfer of an aero-engine combustion chamber. Case Studies in Thermal Engineering, 22, 100772. https://doi.org/10.1016/j.csite.2020.100772
  25. Jiang, B., Liang, H., Huang, G., & Li, X. (2006). Study on NOx Formation in CH4/Air Jet Combustion. Chinese Journal of Chemical Engineering, 14(6), 723–728. https://doi.org/10.1016/S1004-9541(07)60002-0
  26. Gamil, A. A., Nikolaidis, T., Lelaj, I., & Laskaridis, P. (2020). Assessment of numerical radiation models on the heat transfer of an aero-engine combustion chamber. Case Studies in Thermal Engineering, 22, 100772. https://doi.org/10.1016/j.csite.2020.100772
  27. Jones, W. P., & Toral, H. (1983). Temperature and Composition Measurements in a Research Gas Turbine Combustion Chamber. Combustion Science and Technology, 31(5–6), 249–275. https://doi.org/10.1080/00102208308923645
  28. Bicen, A. F., & Jones, W. P. (1986). Velocity Characteristics of Isothermal and Combusting Flows in a Model Combustor. Combustion Science and Technology, 49(1–2), 1–15. https://doi.org/10.1080/00102208608923900
  29. Heitor, M., & Whitelaw, J. (1986). Velocity, temperature, and species characteristics of the flow in a gas-turbine combustor. Combustion and Flame, 64(1), 1–32. https://doi.org/10.1016/0010-2180(86)90095-7
  30. Mohammadpour, M., Houshfar, E., & Ashjaee, M. (2023). Combustion behavior study and flame zone analysis of biogas-fueled gas turbine combustor under O2/CO2 and O2/H2O oxidizing modes. Fuel, 345, 128173. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128173
  31. Wang, J., Hu, Z., Du, C., Tian, L., & Baleta, J. (2021). Numerical study of effusion cooling of a gas turbine combustor liner. Fuel, 294, 120578. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120578