Advanced

Development of a Simulation Methodology for Gas Turbine Combustion

Nilsson, Thommie LU (2015) FYSM60 20142
Combustion Physics
Department of Physics
Abstract
The main goal of this thesis was the development and application of a method to construct reactor networks based on pre-calculated flow fields for combustion systems. Computational fluid dynamics (CFD) was used to calculate flow fields for the Sandia piloted jet flame D and a Siemens SGT-800 gas turbine burner rig. Two different combustion models were tested in the computational fluid dynamics calculations: one based on homogeneous reactor chemistry and the other utilizing a progress variable based conditional moment closure (CMC) combustion model. When applied to the Sandia flame, the homogeneous reactor model was found to compress the flame and overpredict the temperature compared to experimental data but did otherwise show good... (More)
The main goal of this thesis was the development and application of a method to construct reactor networks based on pre-calculated flow fields for combustion systems. Computational fluid dynamics (CFD) was used to calculate flow fields for the Sandia piloted jet flame D and a Siemens SGT-800 gas turbine burner rig. Two different combustion models were tested in the computational fluid dynamics calculations: one based on homogeneous reactor chemistry and the other utilizing a progress variable based conditional moment closure (CMC) combustion model. When applied to the Sandia flame, the homogeneous reactor model was found to compress the flame and overpredict the temperature compared to experimental data but did otherwise show good agreement. With the CMC model, the mixture fraction variance was over-predicted leading to the flame being separated from the burner outlet, a so-called lift-off, otherwise the maximum temperature and OH level were calculated more accurately than with homogeneous reactors.

Two algorithms for reactor network construction were developed and implemented. These two algorithms group computational cells into zones using a principal component analysis (PCA) and a cluster growth method, respectively. Networks were used to study NO formation for varying flame temperature and hydrogen content. Temperature and hydrogen content are parameters which were not varied in the computational fluid dynamics simulations. Network calculations showed reasonable agreement with computational fluid dynamics and experimental results in terms of trends in NO formation and temperature field. The results for the burner rig implies that prompt NO formation is prominent and part of the reason why NO increases with increased hydrogen content.

Networks of partially stirred stochastic reactors were also investigated. Parameter studies showed that the required number of particles vary between reactors but needed not be higher than around 55 for the conditions studied. It was also seen that an optimum value can be found for the stochastic mixing time and near this value the results are better than in corresponding homogeneous reactor networks. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Att göra datorsimuleringar av komplexa kemiskt reaktiva system, såsom gasbrännare och motorer, kan vara tidskrävande. Reaktornätverk är en simuleringsmetod där beräkning av detaljerade kemiska reaktioner separeras från beräkning av flöde vilket ger en kortare beräkningstid. En metod för att automatiskt konstruera sådana nätverk har utvecklats och testats på en brännare för gasturbiner och på en öppen gaslåga.

Gasturbiner är idag viktiga inom industriell verksamhet och mycket utveckling pågår för att göra dessa effektivare, för att uppfylla utsläppskrav för till exempel kväveoxider och kolmonoxid och för att klara av fler bränsleblandningar. Datorberäkningar är ett viktigt verktyg som kan användas för att öka förståelsen av ett system... (More)
Att göra datorsimuleringar av komplexa kemiskt reaktiva system, såsom gasbrännare och motorer, kan vara tidskrävande. Reaktornätverk är en simuleringsmetod där beräkning av detaljerade kemiska reaktioner separeras från beräkning av flöde vilket ger en kortare beräkningstid. En metod för att automatiskt konstruera sådana nätverk har utvecklats och testats på en brännare för gasturbiner och på en öppen gaslåga.

Gasturbiner är idag viktiga inom industriell verksamhet och mycket utveckling pågår för att göra dessa effektivare, för att uppfylla utsläppskrav för till exempel kväveoxider och kolmonoxid och för att klara av fler bränsleblandningar. Datorberäkningar är ett viktigt verktyg som kan användas för att öka förståelsen av ett system och testa nya konstruktioner.

I en flödesberäkning delas geometrin upp i små volymelement. Kemiska reaktioner hanteras av en förbränningsmodell. I det här arbetet användes både en enkel så kallad homogen reaktormodell, som utgår från en homogen blandning i varje volymelement, samt den mer avancerade LTIF-CMC-modellen som använder en sannolikhets-fördelning i varje element.
Reaktornätverk
Ett reaktornätverk består av ett mindre antal relativt stora volymelement, så kallade zoner. I nätverket görs ingen flödesberäkning, enbart kemin beräknas medan flödet hämtas från en tidigare beräkning. Metoden som utvecklats för att generera nätverk bygger på att närliggande volymelement från den tidigare flödesberäkningen grupperas baserat på variabler såsom temperatur och bränsleinnehåll. Det som är speciellt med den här metoden är att alla variabler kan hanteras samtidigt. Varje zon behandlas antingen som en homogen blandning eller med en förenklad sannolikhetsfördelning. Fördelen med att använda reaktornätverk är att beräkningstiden blir kort. Det är därmed möjligt att göra en flödesberäkning med förenklad kemi och sedan använda ett reaktornätverk för att beräkna kemiska reaktioner mer i detalj, såsom emissionsbildning, samt studera effekter av varierande bränslesammansättning.

Beräkningar som gjorts med nätverk konstruerade med den nya metoden har visat lovande resultat. Bland annat beräknades bildningen av kväveoxid vid olika halter av vätgas i bränslet och vid olika flamtemperaturer. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Nilsson, Thommie LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20142
year
type
H1 - Master's Degree (One Year)
subject
keywords
combustion, computational fluid dynamics, reactor network
ISSN
1102-8718
language
English
id
5046695
date added to LUP
2015-05-19 12:42:11
date last changed
2015-06-02 09:31:16
@misc{5046695,
  abstract     = {The main goal of this thesis was the development and application of a method to construct reactor networks based on pre-calculated flow fields for combustion systems. Computational fluid dynamics (CFD) was used to calculate flow fields for the Sandia piloted jet flame D and a Siemens SGT-800 gas turbine burner rig. Two different combustion models were tested in the computational fluid dynamics calculations: one based on homogeneous reactor chemistry and the other utilizing a progress variable based conditional moment closure (CMC) combustion model. When applied to the Sandia flame, the homogeneous reactor model was found to compress the flame and overpredict the temperature compared to experimental data but did otherwise show good agreement. With the CMC model, the mixture fraction variance was over-predicted leading to the flame being separated from the burner outlet, a so-called lift-off, otherwise the maximum temperature and OH level were calculated more accurately than with homogeneous reactors. 

Two algorithms for reactor network construction were developed and implemented. These two algorithms group computational cells into zones using a principal component analysis (PCA) and a cluster growth method, respectively. Networks were used to study NO formation for varying flame temperature and hydrogen content. Temperature and hydrogen content are parameters which were not varied in the computational fluid dynamics simulations. Network calculations showed reasonable agreement with computational fluid dynamics and experimental results in terms of trends in NO formation and temperature field. The results for the burner rig implies that prompt NO formation is prominent and part of the reason why NO increases with increased hydrogen content. 

Networks of partially stirred stochastic reactors were also investigated. Parameter studies showed that the required number of particles vary between reactors but needed not be higher than around 55 for the conditions studied. It was also seen that an optimum value can be found for the stochastic mixing time and near this value the results are better than in corresponding homogeneous reactor networks.},
  author       = {Nilsson, Thommie},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {combustion,computational fluid dynamics,reactor network},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Development of a Simulation Methodology for Gas Turbine Combustion},
  year         = {2015},
}