شبیه‌سازی عددی اثر نسبت سوخت به هوا در کاهش آلاینده‌‌ NO در یک محفظه احتراق توربین گاز با مشعل دو پیچشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران

2 علوم تحقیقات تهران

3 دانشکده مهندسی مکانیک، واحد علوم و تحقیقات تهران - دانشگاه آزاد اسلامی ایران

10.22034/jfnc.2021.269677.1262

چکیده

هدف از این پژوهش بررسی تأثیر نسبت سوخت به هوا بر روی مشخصات جریان و آلاینده‌ها درون یک محفظه احتراق دوپیچشی با هندسه مدل است. هوا در این محفظه احتراق به‌صورت معکوس از درون لوله شعله می‌گذرد. در این پژوهش با تعریف شرایط مرزی و تولید شبکه کافی شبیه‌سازی احتراق با استفاده از مدل استاندارد K – Ɛ برای سوخت متان انجام شده است. شبیه‌سازی‌ها در چهار نسبت هم‌ارزی مختلف که تمامی آن‌ها برای فاز رقیق از سوخت اند، انجام‌گرفته است. فیزیک جریان درون محفظه نشان داد که در نسبت هم‌ارزی‌های بالاتر از 1، دبی ورودی هوا برای حفظ برای ایجاد جریان بازگشتی و پایداری شعله کافی نیست. با بررسی گردابه و میزان قدرت هر جریان بازگشتی درون محفظه، نتایج نشان می‌دهد که کاهش نسبت هم‌ارزی باعث افزایش شدت گردابه موجود در محفظه می‌شود. در بحث دمای شعله، مشخص شد که کاهش نسبت هم‌ارزی نه‌تنها باعث کاهش بیشینه دمای شعله می‌شود، بلکه می‌تواند طول شعله را تا حدودی کاهش دهد. درنهایت، با مطالعه تغییرات NOX در طول محفظه، این نتیجه حاصل شد که رفتار تولید NO بسیار به دمای سیال بستگی و نتیجه حاصل از آن تأثیر مثبت و چشم‌گیر کاهش نسبت هم‌ارزی بر روی کاهش تولید آلاینده NO احتراق است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of the effect of the air-fuel ratio on NO emission reduction in a gas turbine combustor with a double swirler

نویسندگان [English]

  • Mohamadhasan Nobakhti 1
  • Mohamadhasan Sedghi 2
  • Masoud Zareh 3
1 Department of Mechanical Engineering, Srbiau, Tehran, Iran,
2 Srbiau
3 Department of Mechanical Engineering, Science Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran Assistant Professor
چکیده [English]

The purpose of this study is investigating the effect of fuel to air ratio on the flow characteristics and NO emission in a model double swirler combustion chamber. The air in this combustion chamber passes inversely through the liner. In this research, by defining the boundary conditions and producing adequate mesh, and using standard K-Ɛ model for methane fuel, combustion simulations have been performed. The simulations are performed in four different equivalence ratios, all of which are for the dilute phase of the fuel. The physics of the flow inside the chamber showed that in the higher equivalence ratios than 1, the mass flow air in entrance is not enough to keep the vortex breakdown and the stability of the flame, and thus prevents the formation of flame. By examining the vorticity and the amount of power of each vortex breakdown inside the chamber, the results showed that reducing the equivalence ratio increases the intensity of the vortex. It was found that reducing the equivalence ratio not only reduces the maximum flame temperature, but can also reduce the flame length to some extent. Finally, it was concluded that the NO production behavior is highly depend on the fluid temperature and its change graph is very similar to the temperature change diagram in the chamber, which results in a significant positive effect of decreasing the equivalence ratio on reduce the production of combustion emissions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • effect of the air-fuel ratio
  • Numerical simulation 3D
  • double swirler combustion chamber
  • Emission reduction
  1. Rajaei, “Providing strategies to reduce air pollution in Tehran,” Journal of science and engineering Elites, 3, No. 1, 2019, pp. 7-29. (In Persian)
  2. S. Energy Information administration, international energy outlook 2017 overview, international energy outlook, IE2017, September 14, 2017, www.eia.gov.com, Accessed 22 March 2019.
  3. Lefebvre, D. Ballan, “Gas turbine combustion alternative fuels and emissions," third edition, CRC Press, Boca Raton, 2010.
  4. Fredrich, W. P. Jones and A. J. Marquis, “The stochastic fields method applied to a partially premixed swirl flame with wall heat transfer,” Combustion and Flame, 205, 2019, pp. 446-456.
  5. Gajan, A. Pierre, B. Alain Strzelecki, B. Platet, R. Lecourt and F. Giuliani, “Investigation of spray behavior downstream of an aeroengine injector with acoustic excitation, “Journal of propulsion and power, 23, No. 2, 2007, pp. 390-397.
  6. Fazlollahi-Ghomshi and A. Mardani, “Numerical Investigation of Reacting Flow in a Double-swirled Gas Turbine Model Combustor,” Fuel and Combustion, 9, No. 2, 2016, pp. 39-58. (in Persian)
  7. Najib, M. Nazri and M. Jafar, “Effect of varing the double radial swirler configuration on the fluid dynamic and emissions performances in a can combustor,” Jurnal Teknologi, 79, 2017, pp. 3-7.
  8. M. Elbaz, H. A. Moneib, K. M. Shebil and William L. Roberts, “Low NOX-LPG staged combustion double swirl flames,” Renewable Energy, 138, 2019, pp. 303-315.
  9. Zong, Y. Lyu, D. Guo, Li. Chengqin and T. Zhu,, “experimental and numerical study on emission characteristics of the double annular swirler under different pilot fuel ratios,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2018 Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT, Oslo, Norway, pp. 11-15, 2018.
  10. Zaiguo, H. Gao, Z. Zeng, J. Liu and Q. Zhu, “Generation characteristics of thermal NOx in a double-swirler annular combustor under various inlet conditions,” Energy, 200, 2020, pp. 117-187.
  11. Merlo, “Combustion characteristics of methane–oxygen enhanced air turbulent non-premixed swirling flames,” Experimental thermal and fluid science, 56, 2014, pp. 53-60.
  12. Guo, T. A. G. Langrish and D. F. Fletcher, “Simulation of Turbulent Swirl Flow in an Axisymmetric Sudden Expansion Introduction,” AIAA Journal, 39, No. 1, 2006 pp. 96-102.
  13. Pritz and M. Gabi, “Numerical Simulation of Turbulent Swirling Flows,” PAMM journal, 31, 2013, pp. 309-310
  14. Ahmadian Hosseini, M. Ghodrat, M. Moghiman and H. Pourhoseini, “Numerical study of inlet air swirl intensity effect of a Methane-Air Diffusion Flame on its combustion characteristics,” Case Studies in Thermal Engineering, 18, 2020 , pp. 390-397.
  15. Torkzadeh, F. Bolourchifard and E. Amani, “An investigation of air-swirl design criteria for gas turbine combustors through a multi-objective CFD optimization,” Fuel, 186, 2016, pp. 734–749.