شبيه سازي عددي جريان احتراقي در محفظه احتراق توربين گاز مدل با تكنولوژي ورودي هواي پيچشي دوگانه

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

در اين پژوهش، محفظه احتراق توربين گاز مدل (GTMC)، كه به منظور تزريق جريان هوا از تكنولوژي ورودي پيچشي دوگانه بهره مي برد، با استفاده از فرضيات ساده كننده، به صورت پايا و با فرض تقارن محوري و تحت روش در حالت احتراقي و غيراحتراقي مورد مطالعه و شبيه سازي عددي قرار گرفته است. بدين منظور، در گام نخست، توانايي مدل هاي اغتشاشي ، و در پيش بيني الگوي جريان غيراحتراقي درون محفظه، بررسي شده و پس از انتخاب مدل اغتشاشي مناسب، جريان احتراقي، با به كارگيري مدل هاي احتراقي EDC و TPDF در كنار استفاده از سينتيك شيميايي DRM22، شبيه سازي شده است. در اين بررسي، مقادير حاصل از شبيه سازي براي مولفه هاي سرعت محوري، شعاعي و مماسي در حالت احتراقي و غيراحتراقي و كسر مخلوط، دما و گونه هاي H2CO و CO2 در حالت احتراقي، با نتايج حاصل از مشاهدات آزمايشگاهي مقايسه شده است. نتايج كلي اين بررسي نشان مي دهد كه علي رغم اعمال فرضيات ساده كننده، شبيه سازي صورت گرفته به خوبي توانايي مدل سازي و توصيف رفتار كلي جريان و احتراق درون محفظه را داراست. اما، مطابق انتظار، استفاده از مدل هاي اغتشاشي و احتراقي پيشرفته تر، در كنار افزايش هزينه محاسباتي، منجر به دستيابي به نتايج بهتر مي شود. اين نتايج حاكي از برتري مدل RSM نسبت به دو مدل اغتشاشي ديگر در شبيه سازي جريان غير احتراقي درون محفظه است. همچنين، نتايج نشان دهنده برتري مدل TPDF در پيش بيني توزيع گونه هاي اصلي و ساختار شعله در نزديكي ورودي محفظه است، در حالي كه استفاده از مدل EDC منجر به پيش بيني دقيق تر ميدان احتراقي در پايين دست جريان مي شود.

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-، Realizable k- 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 diffusion flames at atmospheric pressure. Comprehensive comparisons were done for the predictions and measurements of velocity، mixture fraction، temperature، and chemical species concentrations of ، ، ، ، ، ، and . 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 turbulencechemistry 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.