Numerical simulation of flow through inlet flues of heat recovery steam generators

Abstract

oz GERİ KAZANIM BUHAR ÜRETİCİLERİNİN GAZ GİRİŞİNDEKİ AKIŞIN SAYISAL BENZETİŞİMİ Tarhan, Tanıl Yüksek Lisans, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Nevin Selçuk Ağustos 1999, 94 sayfa Daha önce karmaşık silindirik geometriler içindeki sıkışmaz geri döngülü iç akımların zamana bağlı iki boyutlu Navier-Stokes denklemleri ile çözümü için geliştirilmiş, doğrudan sayısal benzetişim tekniği ile çizgiler yöntemi yaklaşımına dayalı yeni bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu, karmaşık dikdörtgen geometrilerdeki akım alanlarının öngörülmesine uyarlanmıştır. Uyarlanan kodun öngörme doğruluğu, kodun ani genişlemeli ve genişlemesiz,kargaşalı ve kargaşasız kanal akım alanlarına uygulanması ve hesaplanan değerlerin ölçümlerle ve literatürde bulunan sayısal çözümlerle karşılaştırılması ile test edilmiştir. Hem kargaşasız ani genişlemeli kanal akımı, hem de Reynolds sayısı 6000 olan kargaşalı kanal akımı için hesaplanan akım alanlarının literatürde bulunan sayısal çözümlerle iyi bir uyum içinde olduğu saptanmıştır. Son olarak kod, ısı geri kazanım buhar üreticisinin girişindeki oldukça kargaşalı akım alanının öngerilmesine uygulanmıştır. Sonuçlar, geri kazanım buhar üreticisinin çıkışında büyük bir geri döngü bölgesi oluştuğunu ve çıkış profilinin oldukça düzensiz olduğunu ve bu düzensizliğin geri kazanım buhar üreticisinin performansını etkileyebileceğini göstermiştir. Bunun gibi oldukça kargaşalı akımlar için kodun başarısı günümüz bilgisayarlarının sağlayamayacağı kadar fazla ağ nokta sayısı gerektirmektedir. Kod, çizgiler yöntemi yaklaşımını, i) yüksek dereceli uzaysal aynklaştırma yöntemi, m) basınç için parabolik algoritma ve iii) karmaşık geometriler için cisme-uyan koordinat sistemi kullanan eliptik ağ oluşturucu ile birlikte kullanması nedeniyle, gelecekteki karmaşık dikdörtgen geometrilerdeki doğrudan sayısal benzetişim uygulamalarına verimli bir algoritma sağlar. Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, İçten Akımlar, Kargaşalı Akımlar, Doğrudan Sayısal Benzetişim, Çizgiler Yöntemi vı

ABSTRACT NUMERICAL SIMULATION OF FLOW THROUGH INLET FLUES OF HEAT RECOVERY STEAM GENERATORS Tarhan, Tanil M.S., Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Nevin Selçuk August 1999, 94 pages A novel computational fluid dynamics (CFD) code based on direct numerical simulation (DNS) technique and the method of lines (MOL) approach developed previously for the solution of transient, two-dimensional Navier-Stokes equations for incompressible separated internal flows in complex cylindrical geometries was modified to predict flow fields in complex rectangular geometries. The predictive accuracy of the modified code was tested by applying it to the prediction of flow fields in both laminar and turbulent channel flows with and iiiwithout sudden expansion, respectively, and comparing its predictions with either measured data or numerical results available in the literature. The predicted flow fields were found to be in good agreement with those available in the literature for laminar channel flow with sudden expansion and turbulent channel flow with Re=6600. Finally, the code was applied to the prediction of highly turbulent flow field in the inlet flue of a Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Results have shown that velocity profile at the exit of the inlet flue is highly non-uniform and that a large recirculation zone forms close to the exit of inlet flue, which can significantly affect the performance of HRSG. The success of the code for such highly turbulent flows necessitates excessive number of grid points which can not be met by the present day computers. As the code uses MOL approach in conjunction with i) an intelligent higher- order spatial discretization scheme, ii) a parabolic algorithm for pressure, and in) an elliptic grid generator using body-fitted coordinate system for complex geometries, it provides an efficient algorithm for future DNS applications in complex rectangular geometries. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Confined (Internal) Flows, Turbulent Flows, Direct Numerical Simulation, Method of Lines IV