Investigation of flame characteristics in a turbulent premixed combustion

Abstract

Bu tezde, çalkantılı alev kapama (TFC) modeli ve kararlı durum akışı olarak türbülanslı önceden karıştırılmış alevlerin koherent alev modeli (CFM) kullanılmıştır. Ayrıca, kararlı olmayan akış olarak büyük eddy simülasyonu (LES) modeli kullanılmıştır. Taylor mikro skalası Reλ, türbülans uzunluk skalası lt türbülans şiddeti Ti temelli Reynolds sayısı ve yanma üzerindeki TFC model A'nın sabiti gibi farklı türbülans parametrelerinin etkileri, sürekli tepki veren akış için modellenmiştir. Buna ek olarak, salınım A_o'nun genliği ve frekans f gibi sinüzoidal dalganın özellikleri, alev topolojisinin davranışını ve yalın propan-hava yanmasının jet akış yanma odasının alev konumunu göstermek için dengesiz tepki akışı için kullanılır. Simülasyonlar sabit giriş hızı ve eşdeğerlik oranında 3, 5 ve 9 kW termal yüklerle elde edilir. İlerleme değişkeni (c) için taşıma denklemleri Reynolds ve Favre ortalamaları cinsinden gösterilmiştir ve farklı türbülanslı akış koşullarında ısı salınımını hesaplamak için ortalama reaksiyon hızı terimleri kullanılmıştır. Sonuçlar, yakıcı performans çalışmalarından elde edilen mevcut deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Aktif ızgara türbülansının etkisi altındaki önceden karıştırılmış yanma işlemi, sayısal olarak incelenmiştir ve sonuçlar deneylerle karşılaştırılmıştır. Deneylerde, enine ve uzunlamasına aktif ızgaralar türbülansa neden olmuştur. Deneyler, 3, 5 ve 9 kW 'lık bir giriş gücünde önceden karıştırılmış bir gaz alevi üretmek için gerçekleştirilmiştir. CFM, TFC ve LES modelleri gibi türbülanslı yanma modellemeleri, sırasıyla sabit ve kararsız durum akışları olarak farklı türbülanslı akış koşullarında simülasyon yapmak için uygulanmıştır. Deneylerde elde edilen türbülanslı akış koşulları, giriş bölgesinde türbülans (ϵ) ve türbülanslı kinetik enerjinin (k) yayılma oranı ile belirlenmiştir. Tüm simülasyonlar, propanın yanma koşullarını tahmin etmek için 0,625 ve 0,588 eşdeğerlik oranlarında türbülanslı reaksiyon akışlarını simüle etmek için kullanılmıştır. Isı bırakma alanı deneysel vakalarla karşılaştırılmak için kullanılmıştır. Simülasyonlar ve deney sonuçları arasında kabul edilebilir bir anlaşma bulundu. Alev topolojisi, CFM modelindeki türbülansa TFC modeli ile simüle edilene göre daha hassastır ve alev bölgesi, Reλ artırarak giriş bölgesine doğru hareket etmiştir. Her iki modelde de, bir Taylor mikro skalasına (Reλ) dayalı Reynolds sayısını temel bir parametre olarak kullanılmıştır. Ek olarak, LES modelinde, türbülans, A_o ve f gibi bir sinüzoidal dalganın özelliklerini belirleyerek elde edilmiştir. Alev topolojisini ve farklı türbülanslı akış koşullarındaki alev yerini tahmin etmek için üç sayısal model kullanılmış ve deneylerle karşılaştırıldığında üç farklı sonuç bulunmuştur. Ayrıca, yanma alanının merkezi hattındaki ısı yayılımı, tür kütle fraksiyonu ve sıcaklık dağılımı alanları incelenmiştir.TFC modeli kalibre edildikten sonra, deneyi eşleştiren sabit A'nın en iyi değeri A = 0.37 olarak bulunmustar. Tüm sayısal simülasyonlar STAR CCM + v10.02 ve v12.04 yazılımlarında gerçekleştirilmiştir. Çalkantılı alev hızı Ut Zimont formülünden türetilmiştir ve sonuçlar, alev konumu ve topolojinin, Ut için türetilmiş yeni denklem tarafından önerilen Reλ tarafından etkilendiğini göstermistir.Sonuçlar, yanmanın Borghi diyagramındaki kırışmış ve oluklu flamelet bölgelerinde meydana geldiğini göstermiştir. Düşük bir `Re` de, değer TFC modelindeki alev topolojisi buruşturucunun dikey eksenine göre buruşmuş ve simetrik iken, orta ve büyük Reλ değerlerinde alev topolojisi cusps sergilemiştir. CFM modelindeki alev topolojisi davranışı farklı Reλ 'da sabit değildi ve bir mantar şekli gibi ve alevler Reλ artırarak giriş bölgelerine doğru hareket etmistir. Ayrıca LES modelinde, alevin V şekli ve oluklu kanatları oluşturulmuştur. Alev, salınım ve frekansın farklı türbülans koşullarında topoloji ve yer değiştirildi. Jet akış yakıcıları için alev topolojisi araştırması, gaz türbini brülör tasarımı veya diğer türbülanslı yakma çalışmaları için iyi modüle edilmek üzere kullanılabilir oluğu gözlemlenmistir. Alev topolojisindeki alev topolojisinin çeşitli türbülanslı akış koşulları ile incelenmesi gerekmehtedir.

In this thesis, the turbulent flame closure (TFC) model and coherent flame model (CFM) of turbulent premixed flames as steady state flow are used. In addition, large eddy simulation (LES) model as unsteady state flow is used. The effects of different turbulent parameters such as Reynolds number based in a Taylor micro scale 〖Re〗_λ, turbulence length scale l_t turbulence intensity T_i and the constant of the TFC model A on the combustion are modelled for steady reacting flow. In addition, the characteristics of sinusoidal wave, such as amplitude of pulsation A_o and the frequency f are used for unsteady reacting flow to show the behavior of the flame topology and flame location of jet flow combustor of lean propane-air combustion. The simulations are achieved with 3, 5 and 9 kW thermal loads at constant inlet velocity and equivalence ratio. Transport equations for progress variable (c) are shown in terms of Reynolds and Favre averages, and the reaction rate terms are used to calculate heat release at different turbulent flow conditions. The results are compared with existing experimental data from the combustor performance studies.The lean premixed combustion under the influence of active grid turbulence was computationally investigated, and results were compared with the experiments. In the experiments, the transverse and longitudinal active grids generated turbulence. The experiments were conducted to generate a premixed gas flame at a given inlet power 3, 5 and 9 kW. Turbulent burning modelling such as CFM, TFC and LES models were implemented to conduct simulations under different turbulent flow conditions as steady and unsteady state flows, respectively. The turbulent flow conditions obtained in the simulations were specified by the dissipation rate of turbulence (ϵ) and a turbulent kinetic energy (k) at the inlet region for steady reacting flow. All simulations were used to simulate the turbulent reacting flows at the equivalence ratios of 0.606 and 0.588 to estimate the combustion conditions of the propane. The heat release field was used for comparison with experimental cases. Acceptable agreement is found between the simulations and the experimental results. The flame topology is more sensitive to turbulence in CFM model than that simulated by the TFC model, and the flame location moved toward to inlet region by increasing 〖Re〗_λ. CFM and TFC models were used 〖Re〗_λ as a fundamental parameter. In addition, in the LES model, the turbulence was attained by setting the characteristics of a sinusoidal wave such as A_o and f. Three numerical models were used to prediction the flame topology and flame location at different turbulent flow conditions, and three different results were found as compared with experiments. Moreover, the fields of heat release, species mass fraction and temperature distribution in the centerline of the combustor were investigated.After the TFC model was calibrated, the best value of constant A that matches the experiment was A = 0.37. All numerical simulations were performed in STAR CCM+ v10.02 and v12.04 software. The turbulent flame speed U_t was derived from the Zimont formula, and the results showed that the flame location and topology were influenced solely by 〖Re〗_λ, as suggested by the derived new equation for〖 U〗_t.The results showed that combustion occurs in the wrinkled and corrugated flamelet regions on the Borghi diagram. At a low 〖Re〗_λ value, the flame topology in the TFC model was wrinkled and symmetrical with respect to the vertical axis of the combustor, whereas at medium and large Re_λ values, the flame topology exhibited cusps. By contrast, the flame topology behaviour in the CFM model was not constant at different 〖 Re〗_λ and was like a mushroom shape, and the flames moved toward inlet regions by increasing 〖Re〗_λ. In addition, in the LES model, the V-shape and the corrugated wings of the flame were formed.The flame changed topology and location at different turbulent flow conditions of amplitude of pulsation and frequency. The flame topology investigation for jet flow combustor can be used to modulate effectively well the gas turbine burner design or other turbulent combustion studies. The investigation of the flame topology in the combustor with various turbulent flow conditions is important in controlling the flame location to reduce emissions and increase power efficiency, or even design pioneering production techniques related to flame.