سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

شبیه‌سازی عددی محفظه احتراق توربین گاز صنعتی به روش FGM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
طاها زواریان 1
مسعود عیدی عطارزاده 2
محمد جواد شهریاری 3
1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران
3 شرکت توربین خلیج فارس، تهران، ایران
10.22034/jfnc.2026.588359.1461
چکیده
در این مقاله، شبیه‌سازی عددی یک محفظه احتراق توربین گاز صنعتی با استفاده از دو مدل احتراقی FGM (Flamelet Generated Manifold) و EBU (Eddy Break-Up) همراه با مدل توربولانسی k-ε انجام شده است. هدف اصلی، بررسی تأثیر انتخاب مدل احتراقی بر میانگین دمای سکون و پروفیل دمای خروجی محفظه احتراق است که از دیدگاه عملکردی و عمر قطعات توربین حائز اهمیت می‌باشد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار +Simcenter STAR-CCM و شبکه‌بندی سه‌بعدی شامل دامنه سیال و جامد انجام شده است. نتایج عددی با داده‌های مرجع شرکت سازنده توربین مقایسه شده است. همچنین، اثر دو زیرمدل توربولانسی k-ε Realizable و k-ε Standard بر دقت شبیه‌سازی بررسی شده است. یافته‌ها نشان می‌دهد که مدل FGM با خطای کمتر نسبت به EBU، دمای خروجی را خنک‌تر و نزدیک‌تر به توزیع مرجع پیش‌بینی می‌کند. همچنین، ترکیب مدل توربولانسی k-ε Standard با مدل احتراقی FGM تطابق بهتری با داده‌های مرجع دارد.

تازه های تحقیق

در این پژوهش، شبیه‌سازی عددی محفظه احتراق توربین گاز صنعتی با دو مدل احتراقی FGM و EBU و مدل توربولانسی k-ε  انجام شده است. نتایج نشان داد که مدل FGM نسبت به EBU از دقت بیشتری در پیش‌بینی میانگین دمای سکون خروجی برخوردار است. همچنین، پروفیل دمای خروجی حاصل از مدل FGM به توزیع مرجع نزدیک‌تر بوده و دمای خنک‌تری را ارائه می‌دهد.

در بررسی اثر مدل توربولانسی، مشخص شد که مدل k-ε Standard نسبت به k-ε Realizable توانایی بهتری در شبیه‌سازی گردابه‌ها، اختلاط جریان سرد و گرم، و توزیع دمای یکنواخت‌تر دارد. میانگین دمای سکون خروجی در مدل k-ε Standard برابر 1557.2 کلوین (خطای 1درصد) و در مدل k-ε Realizable برابر 1656.2 کلوین (خطای 26/5 درصد) محاسبه شد که نشان‌دهنده برتری مدل k-ε Standard است.

بررسی گونه‌های شیمیایی خروجی نشان داد که بیشترین آلاینده تولیدی NO  ناشی از فرآیند تولید NOx حرارتی است. میزان این آلاینده 5/14 ppm  به دست آمد. همچنین، توزیع دما روی دیواره لاینر نشان داد که تمرکز شعله نزدیک دیواره و قبل از ردیف اول سوراخ‌های ناحیه اول محفظه رخ می‌دهد که می‌تواند باعث کاهش عمر لاینر شود.

در مجموع، ترکیب مدل توربولانسی k-ε Standard با مدل احتراقی FGM گزینه مناسبی برای شبیه‌سازی دقیق محفظه‌های احتراق توربین گاز صنعتی محسوب می‌شود.

کلیدواژه‌ها
شبیه‌سازی عددی محفظه احتراق
توربین گاز
مدل FGM
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical simulation of industrial gas turbine combustion chamber using FGM method

نویسندگان English

Taha Zavarian 1
Masoud Eidi Attar Zade 2
Mohammad Javad Shahriari 3
1 Faculty of Aerospace Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, University of Tehran
3 Persian Gulf Turbine Company, Tehran, Iran
چکیده English

In this paper, a numerical simulation of an industrial gas turbine combustor has been performed using two combustion models, FGM (Flamelet Generated Manifold) and EBU (Eddy Break-Up) along with a k-ε turbulence model. The main objective is to investigate the effect of the combustion model selection on the average stagnation temperature and the outlet temperature profile of the combustor, which are important from the perspective of performance and turbine component life. The simulations have been performed using Simcenter STAR-CCM+ software and a 3D meshing including fluid and solid domains. The numerical results have been compared with the reference data of the turbine manufacturer. Also, the effect of two turbulence sub-models, k-ε Realizable and k-ε Standard, on the simulation accuracy has been investigated. The findings show that the FGM model predicts the outlet temperature cooler and closer to the reference distribution with less error than the EBU. Also, the combination of the Standard k-ε turbulence model with the FGM combustion model provides a better match with the reference data.

کلیدواژه‌ها English

Numerical simulation of combustion chamber
Gas turbine
FGM model
[1] J. A. Van Oijen, F. A. Lammers, and L. P. H. De Goey, "Modeling of complex premixed burner systems by using flamelet-generated manifolds," Combustion and Flame, vol. 127, no. 3, pp. 2124-2134, 2001.
[2] J. A. Van Oijen, A. Donini, R. J. M. Bastiaans, J. H. M. ten Thije Boonkkamp, and L. P. H. De Goey, "State-of-the-art in premixed combustion modeling using flamelet generated manifolds," Progress in Energy and Combustion Science, vol. 57, pp. 30-74, 2016.
[3] J. A. M. De Swart, R. J. M. Bastiaans, J. A. Van Oijen, L. P. H. De Goey, and R. S. Cant, "Inclusion of preferential diffusion in simulations of premixed combustion of hydrogen/methane mixtures with flamelet generated manifolds," Flow, Turbulence and Combustion, vol. 85, no. 3, pp. 473-511, 2010.
[4] R. L. G. M. Eggels and C. T. Brown, "Comparison of numerical and experimental results of a premixed DLE gas turbine combustor," in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, vol. 78514, p. V002T02A032, 2001.
[5] T. Cardoso de Souza, R. J. M. Bastiaans, B. J. Geurts, and L. P. H. De Goey, "LES and RANS of premixed combustion in a gas-turbine like combustor using the flamelet generated manifold approach," in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, vol. 54624, pp. 1119-1127, 2011.
[6] H. Mongia, "Gas turbine combustor liner wall temperature calculation methodology," in 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit, p. 3267, 2001.
[7] F. L. G. Dias, M. A. R. do Nascimento, and L. de O. Rodrigues, "Reference area investigation in a gas turbine combustion chamber using CFD," Journal of Mechanical Engineering and Automation, vol. 4, no. 2, pp. 73-82, 2014.
[8] N. Rasooli, S. Besharat Shafiei, and H. Khaledi, "Combination of 1D code and CFD for performance analysis of a silo type gas turbine combustor," in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, vol. 43970, pp. 1015-1023, 2010.
[9] V. Rajabi and E. Amani, "A computational study of swirl number effects on entropy generation in gas turbine combustors," Heat Transfer Engineering, vol. 40, no. 3-4, pp. 346-361, 2019.
[10] C. Zong, Y. Lyu, D. Guo, C. Li, and T. Zhu, "Experimental and numerical study on emission characteristics of the double annular swirler under different pilot fuel ratios," in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, vol. 51067, p. V04BT04A001, 2018.
[11] S. Karuppannan, B. Mehul, G. Sivaramakrishna, R. D. Navindgi, and N. Muthuveerappan, "CFD analyses of flow in a gas turbine combustor swirl cup," in Gas Turbine India Conference, vol. 58509, p. V001T04A009, 2017.
[12] "Gas turbine unit GTD25HU80.09 engine DU80 combustion chamber characteristics," State Gas Turbine Research & Production Complex "ZORYA"-"MASHPROEKT", 89995ПР3С-1-2-3.