LES modelling of spray combustion

Abstract

Computational fluid dynamics is a powerful method for understanding the flow and combustion that occurs inside aircraft engines and will be a key tool in the transition from conventional fossil-based fuel to sustainable alternatives. Because conventional fuels have been more widely researched, an attempt at simulating the combustion of alternative fuels should be preceded by the development of a method that is capable of accurately simulating the combustion of a conventional fuel. In this thesis, the combustion of the conventional jet fuel Jet A-1 in a gas turbine combustor is simulated with the software OpenFOAM and two different chemical reaction mechanisms: F2 and Z77. The results are compared with experimental data to validate the simulation method, and the performance of the reaction mechanisms is compared. The reaction mechanisms are also used in supplementary chemical kinetics simulations in CHEMKIN to compute laminar flame speed and ignition delay time, two characteristic combustion features, to assist in explaining the phenomena observed in the CFD simulations. The simulations produced generally realistic results, but overestimated the lift-off distance of the flame at low pressure. The Z77 mechanism produced higher and more pressure-sensitive temperatures than the F2 mechanism. At high pressure, there was an instability in the simulations in the form of a pressure oscillation. It was shown that this instability was driven by the combustion process, but it could not be determined whether this was the sole cause of the instability. Finally, the simulations showed that CH concentration is better than OH concentration as an indicator of high heat release.

Abstract (Swedish)

Numerisk strömningsmekanik är en kraftfull metod för att förstå flödet och förbränningen som sker i flygplansmotorer och kommer att vara ett avgörande verktyg i övergången från konventionella fossila bränslen till hållbara alternativ. Eftersom mer forskning har skett kring konventionella bränslen bör en simuleringsmetod för alternativa bränslen föregås av en metod som verklighetstroget kan simulera förbränningen av konventionella bränslen. I detta examensarbete används mjukvaran OpenFOAM och två olika kemiska reaktionsmekanismer, F2 och Z77, för att simulera förbränningen av det konventionella jetbränslet Jet A-1 i en gasturbinsbrännare. Resultaten jämförs med experimentella data för att validera metoden och reaktionsmekanismernas prestanda jämförs med varandra. Reaktionsmekanismerna används också i kompletterande kemiska kinetiksimuleringar med mjukvaran CHEMKIN för att räkna ut laminär flammhastighet och antändningshastighet, två karakteristiska förbränningsparametrar, vilka används för att förklara fenomenen som observeras i CFD-simuleringarna. Simuleringarna gav realistiska resultat överlag, men överskattade flammans lyftning vid lågt tryck. Z77-mekanismen gav högre och tryckkänsligare temperaturer än F2-mekanismen. Vid högt tryck uppstod en instabilitet i simuleringarna i form av en tryckoscillation. Det visades att denna instabilitet drevs av förbränningsprocessen, men det kunde inte avgöras huruvida detta var den huvudsakliga orsaken. Slutligen visade simuleringarna att CH-koncentration är bättre än OH-koncentration som indikator för hög värmeutveckling.

Popular Abstract

When you set foot in an airplane, you presumably expect its engines to be functional (unless you are a mechanic). But aircraft engines are powerful, complicated machines that take years of development to perfect. During that development, it is crucial to get a good understanding of what happens inside the engine: "How hot does it get?" "Is there a stable flame?" "What is that awful whirring noise?" - these are questions that need to be answered. Historically, extensive experimentation campaigns provided the answers. But in recent years a cheaper, quieter and altogether less sooty method has entered the scene: computer simulations.

I gave a digital 3D model of an airplane engine to the supercomputer Kebnekaise in Umeå, which crunched the numbers and figured out what actually happens inside the engine while it's running. This took several days of non-stop calculations - we're talking about a lot of maths here. When Kebnekaise was done, I got a clear picture of what happens to the fuel that gets sprayed into the engine. I could see how it feeds a stable flame that heats the surrounding air to temperatures above 2000 °C, and how that air gets pushed out of the exhaust at speeds of hundreds of meters per second. I was also able to see the fine details, like how the fuel (kerosene) gets broken down into smaller and smaller molecules, eventually turning into familiar exhaust gasses such as carbon dioxide and water vapour.

Air travel is a big contributor to global greenhouse gas emissions. One way to reduce the impact of those emissions would be to use renewable jet fuel instead of traditional fossil-based fuel. This has been tested successfully, but the fraction of commercial flights that run on renewable fuel is still vanishingly small. One hurdle on the way to wider use of renewable fuels is our limited understanding of how they burn inside an engine. Computer simulations will be extremely useful in deepening that understanding. This brings us to the purpose of this project: now that the simulation method that was used has been proven to work for traditional jet fuel, the next step will be to replace that fuel with renewable alternatives. It will take a lot of research to enable large-scale use of renewable fuels in airplanes, but experiments and computer simulations will get us there.

Popular Abstract (Swedish)

När du kliver in i ett flygplan förväntar du dig förmodligen att motorerna fungerar som de ska (såvida du inte är en mekaniker). Men flygplansmotorer är kraftfulla, komplicerade maskiner som tar år att utveckla. Under utvecklingen är det viktigt att få en god förståelse för vad som händer inne i motorn: "Hur varmt blir det?" "Finns det en stabil flamma?" "Vad är det som surrar?" - de här frågorna måste besvaras. Historiskt sett användes tonvis av experiment för att besvara dem. På senare år har dock en billigare, tystare och mindre sotig metod trätt fram: datorsimuleringar.

Jag gav en digital 3D-modell av en flygplansmotor till superdatorn Kebnekaise i Umeå, som räknade ut vad som faktiskt händer i motorn när den körs. Detta tog flera dagar av oavbrutna beräkningar - vi talar om väldigt mycket matte här. När Kebnekaise var klar fick jag en tydlig bild av vad som händer med bränslet som sprejas in i motorn. Jag kunde se hur det matar en stabil flamma som hettar upp den kringliggande luften till temperaturer över 2000 °C, och hur den luften trycks ut ur utloppet med hastigheter på flera hundra meter per sekund. Jag kunde också se detaljerna, som hur bränslet (kerosin) bryts ned i mindre och mindre molekyler tills det har omvandlats till bekanta avgaser som koldioxid och vattenånga.

Flygresor är en stor källa till utsläpp av växthusgaser. Ett sätt att minska de utsläppens klimatpåverkan vore att använda förnybara bränslen istället för traditionella fossilbaserade bränslen. Detta har testats och visat sig fungera, men andelen av kommersiella flygresor som körs med förnybara bränslen är fortfarande mycket liten. Ett hinder på vägen till en bredare tillämpning av förnybara bränslen är den begränsade förståelsen för hur de brinner inne i motorer. Datorsimuleringar kommer att vara extremt användbara för att fördjupa den förståelsen. Detta för oss till syftet med det här arbetet: nu när en simuleringsmetod har visat att den fungerar med traditionellt flygbränsle kommer nästa steg att vara att anpassa den för förnybara bränslen. Det kommer att krävas mycket forskning för att möjliggöra storskalig användning av förnybara bränslen i flygplan, men experiment och datorsimuleringar kommer att ta oss dit.

• author: Åkerblom, Arvid
• supervisor: Christer Fureby
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Gas Turbine, CFD, Large Eddy Simulation, Lagrangian Particle Tracking, Chemical Kinetics, Reaction Mechanism, Combustion, OpenFOAM, CHEMKIN
• report number: LUTMDN/TMHP-21/5479-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9049903
• date added to LUP: 2021-06-07 09:46:18
• date last changed: 2021-06-07 09:46:18