A numerical comparison of the thermoacoustics for different equivalence ratios for n-dodecane using LES

Abstract (Swedish)

Klimatförändringarna påverkar vår värld och det behövs ett mer hållbart samhälle. Flygindustrin är i behov av förändring, men flygmotorer är mycket komplexa och tar tid att utveckla. Termoakustiska instabiliteter har kraften att förstöra en motor, men också att minska miljöpåverkan. Samtidigt möjliggör ökad beräkningskraft i moderna datorkluster att detaljerade simuleringar kan utföras för att studera sådana komplexa fenomen. Termoakustik är inte helt förstått ännu. Med hjälp av Large Eddy Simulations (LES) har termoakustiken i en bluff-body stabiliserad flamma studerats för bränslet n-dodekan. En detaljerad reaktionsmekanism (SK54) har använts för att fånga flamdynamikens detaljer. Randvillkoren är mycket viktiga när termoakustik ska studeras och en känslighetsanalys har genomförts. Resultaten indikerar att randvillkoret för trycket vid utloppet inte är trivialt, och en liten förändring kan både förändra den exciterade frekvensen, såväl som magnituden. Ett par teorier har tagits upp om varför beteendet förändras. En anledning kan vara att dämpningen ändrar ljudhastigheten så kopplingen mellan förbränningen och hastighetsförändringarna försvagas för vissa frekvenser. Detta stöds av viss litteratur. En annan teori är förändringen i den ingående akustiska reaktansen som leder till en viss favoriserad frekvens. Ytterligare utredning behövs för att verifiera vad orsaken är och hur man på lämpligt sätt sätter randvillkoren för att få resultat som bättre överensstämmer med experiment.

Abstract

Climate change is affecting our world and a more sustainable society is needed. The aviation industry is in need of change but aero-engines are very complex and take time to develop. Thermoacoustic instabilities have the power to destroy an engine, but also to reduce the environmental impact. At the same time, increasing computational power allows detailed simulations to be executed in order to study such complex phenomena. Thermoacoustics is not completely understood yet. With the aid of Large Eddy Simulation's (LES), the thermoacoustics in a bluff-body stabilised flame has been studied for the fuel n-dodecane. A detailed reaction mechanism (SK54) has been used to capture the flame dynamics accurately. Boundary conditions are very important when studying thermoacoustics and a sensitivity analysis has been carried out. The results indicate that the boundary condition for pressure at the outlet is not trivial, and a slight change can both change the excited frequency, as well as the magnitude. A couple of theories have been raised as to why the behaviour changes. One reason could be that the damping changes the speed of sound such that the coupling between heat release due to combustion and velocity perturbations weakens for certain frequencies. This is supported by some literature. Another theory is the change in the input acoustic reactance leading to a certain favoured frequency. Further investigation is needed to verify what the reason is, and how to appropriately set the boundary conditions to obtain results which are in better agreement with experiments.

Popular Abstract (Swedish)

Vår planet står inför en klimatkris som måste tas på allvar. Detta kräver att forskare och ingenjörer tar fram nya sätt att främja samhället för att bli mer hållbart. En av industrierna som behöver utvecklas är flygindustrin som för närvarande använder fossila bränslen. En idé för att minska miljöpåverkan från flygplan och stridsflygplan är att använda drop-in-bränslen. Det är som det låter, bränslen som vi kan använda direkt i nuvarande jetmotorer. Säkerheten i flygplan är dock av yttersta vikt. Därför finns det ett behov av att säkerställa att dessa drop-in bränslen inte får motorn att haverera. Du kanske ställer frågan, "om det är så svårt, varför inte bara bygga ett elektriskt flygplan?". Svaret på den frågan är, "vi är inte där ännu." och batterier behöver fortfarande sällsynta jordartsmetaller för att fungera som en katalysator. Att extrahera dessa metaller orsakar också skador på miljön.

En av anledningarna till att en motor går sönder är om termo-akustiska instabiliteter skadar någon del av motorn. Termo-akustik är kopplingen mellan värmeöverföringen och ljud (akustiskt fält). Värmeöverföringen tillför energi till tryckfältet (akustiska fältet) vilket ändrar hur flödet kommer att se ut, vilket kommer att ändra värmeöverföring och så vidare. Värmeöverföring förstärker ljudet vid olika frekvenser beroende på temperatur och geometri. För att undersöka detta används ett verktyg som kallas numerisk fluid dynamik. Detta innebär att beräkningskraften som en dator har används för att beräkna och simulera flödet baserat på mycket komplicerade matematiska ekvationer. Varför ska man använda en dator istället för att skapa ett experiment? Pengar. Det kan vara mycket billigare att köra en simulering än att bygga ett helt experiment.

Eftersom termo-akustiska instabiliteter är svåra att avbilda korret behövs lämpliga randvillkor. Dessa randvillkor är hur vi säger åt datorn att matematiskt behandla väggar, inlopp, utlopp och så vidare. Det jag fann var att randvillkor var inte triviala att ställa. Du förstår, det verkliga utloppet, från en akustisk synvinkel, fungerar som en fjäder för partiklar. Den rör sig fram och tillbaka, och teoretiskt sett har den en styvhet och kan förlängas och komprimeras en viss längd. Detta beteende var inte lätt att implementera vid utloppet, vilket resulterade i både över- och underprediktera resultat. Jag tror att det kan bero på att tidpunkten för energin som matas av värmeöverföringen till det akustiska fältet inte är korrekt. Detta resultat kan visa vägen om vad som ska undersökas härnäst. Några förslag är att undersöka exakt hur den termo-akustiska återkopplingen fungerar och hur den förändras när man ändrar randvillkoren. Detta kommer att kräva mycket eftertanke och datorkraft, men jag är optimistisk!

Popular Abstract

Our planet is facing a climate crisis that needs to be taken seriously. This calls for researchers and engineers to bring forth new ways to advance society to become more sustainable. One of the industries which need to evolve is the aviation industry which is currently using fossil-based fuels. An idea to decrease the environmental impact due to airplanes and fighter jets, is to use so-called drop-in fuels. It is as it sounds, fuels which we can just drop-in current jet engines. However, the safety in airplanes are of utmost importance. Therefore, there is a need to ensure these drop-in fuels do not cause the engine to break down. You might ask the question, "if it is so difficult, why not just build an electrical airplane?". Well the answer to that question is, "we are not there yet.", and batteries still need rare earth metals to act as a catalyst. Extracting these metal elements also cause harm to the environment.

One of the reasons for an engine to break down, is if so-called thermoacoustic instabilities damage any part of the engine. Thermoacoustics is the coupling between heat release and sound (acoustic field). Heat release feeds energy to the pressure-field (acoustic field) which changes how the flow field will look, which will change the heat release and so on. The heat release amplifies the sound at different frequencies depending on the temperature and geometry. To investigate this, a tool called computational fluid dynamics is used. This means the computational power provided in a computer is used to calculate and simulate flow based on very complicated mathematical equations. Why use a computer and not just create an experiment? Money. It can be a lot cheaper to run a simulation than build an entire experiment.

Since thermoacoustic instabilities are difficult to properly capture, appropriate boundary conditions are needed. These boundary conditions are how we tell the computer to mathematically treat walls, inlets, outlets, and so on. What I found was that the boundary conditions were definitely not trivial to impose. You see, the real outlet, in an acoustic point of view, acts sort of like a spring for particles. It moves back and forth, and theoretically it has a stiffness and can be extended and compressed a certain length. This behaviour was not easily implemented in the outlet which resulted in both over-predicted and under-predicted results. I believe that it could be because the timing for the energy fed by the heat release to the acoustic field is not correct. This can give some indication of where to look next. A few suggestions are to investigate exactly how the thermoacoustic feedback loop operates and how it changes when altering the boundary conditions. This will require a lot of thought and computer power, but I am optimistic!

• author: Jarfors, Björn
• supervisor: Christer Fureby; Arvid Åkerblom
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Computational Fluid Dynamics, Bluff-body stabilised flames, Large Eddy Simulation, Thermoacoustics, Acoustics, NEUMANN Project, Jet engines, Aero engines, Airplanes, Combustion, Numerics
• report number: LUTMDN/TMHP-23/5543-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9127127
• date added to LUP: 2023-06-20 11:34:18
• date last changed: 2023-06-20 11:34:18