شبیه‌سازی عددی جریان احتراقی در محفظه احتراق توربین گاز مدل با تکنولوژی ورودی هوای پیچشی دوگانه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در این پژوهش، محفظه احتراق توربین گاز مدل (GTMC)، که به­منظور تزریق جریان هوا از تکنولوژی ورودی پیچشی دوگانه بهره می‌برد، با استفاده از فرضیات ساده‌کننده، به­صورت پایا و با فرض تقارن‌محوری و تحت روش  در حالت احتراقی و غیراحتراقی مورد مطالعه و شبیه‌سازی عددی قرار گرفته‌است. بدین منظور، در گام نخست، توانایی مدل‌های اغتشاشی ،  و  در پیش‌بینی الگوی جریان غیراحتراقی درون محفظه، بررسی شده و پس از انتخاب مدل اغتشاشی مناسب، جریان احتراقی، با به‌کارگیری مدل‌های احتراقی EDC و TPDF در کنار استفاده از سینتیک شیمیایی DRM22، شبیه‌سازی شده ‌است. در این بررسی، مقادیر حاصل از شبیه‌سازی برای مؤلفه‌های سرعت محوری، شعاعی و مماسی در حالت احتراقی و غیراحتراقی و کسر مخلوط، دما و گونه‌های H2CO و CO2 در حالت احتراقی، با نتایج حاصل از مشاهدات آزمایشگاهی مقایسه شده ‌است. نتایج کلی این بررسی نشان می‌دهد که علی‌رغم اعمال فرضیات ساده‌کننده، شبیه‌سازی صورت گرفته به­خوبی توانایی مدل‌سازی و توصیف رفتار کلی جریان و احتراق درون محفظه را داراست. اما، مطابق انتظار، استفاده از مدل‌های اغتشاشی و احتراقی پیشرفته‌تر، در کنار افزایش هزینه محاسباتی، منجر به دستیابی به نتایج بهتر می‌شود. این نتایج حاکی از برتری مدل RSM نسبت به دو مدل اغتشاشی دیگر در شبیه‌سازی جریان غیر‌احتراقی درون محفظه است. همچنین، نتایج نشان‌دهنده برتری مدل TPDF در پیش‌بینی توزیع گونه‌های اصلی و ساختار شعله در نزدیکی ورودی محفظه است، در حالی که استفاده از مدل EDC منجر به پیش‌بینی دقیق‌تر میدان احتراقی در پایین‌دست جریان می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Reacting Flow in a Double-swirled Gas Turbine Model Combustor

نویسندگان [English]

  • Alireza Fazlollahi-Ghomshi
  • Amir Mardani
Sharif University of Technology
چکیده [English]

In this work, numerical investigation of a double-swirled gas turbine model combustor (GTMC) was carried out using RANS approach with three different turbulence models of RNG k-e, Realizable k-e and RSM, and two different turbulence-chemistry interaction models of EDC (Eddy Dissipation Concept) and TPDF (Transported Probability Density Function). A detailed reduced mechanism of DRM22 (with 22 species and 104 reactions) was used to represent the chemical reactions. GTMC with a good optical access for laser measurements provided a useful database for swirling CH4/Air diffusion flames at atmospheric pressure. Comprehensive comparisons were done for the predictions and measurements of velocity, mixture fraction, temperature, and chemical species concentrations of H2O2 O2O2OH,OHH2O,H2O CH4,CH4COCO,and CO2 Results showed an acceptable accuracy of predictions. This means that the simplified 2D-axisymmetric simulation has the ability to capture the important features and structure of combustion field in a double highly swirled chamber, like GTMC, with much lower CPU time in comparison with the costly 3D simulations. This study illustrated that using RSM turbulence model presents acceptable results for the flow field, while the other turbulence models were not capable of capturing quantitively acceptable results. In terms of comparison between the turbulence-chemistry interaction models, TPDF led to a good prediction for major species and flame structure near the inlets, while the EDC predicted more accurately downstream of the flow field. Morever, the analysis of flame structure showed that mixing of fuel and oxidizer under double-swirl configuration happens fast and in high levels. In addition, using this type of mixing led to stabilization of main reaction zone in the center of combustion chamber near the injection plane. As a result, under double-swirl injection configuration clean and high quality combustion with reduced size of combustion chamber can be achieved simultaneously.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas Turbine Combustor
  • double-Swirl Injector
  • Turbulence model
  • Turbulence-Chemistry Interaction model