شبيه سازي عددي اختلاط و احتراق در شرايط فوق بحراني در محفظه مدل

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

در اين پژوهش، به مطالعه عددي اختلاط و احتراق در شرايط فوق بحراني پرداخته شده است. رفتار سيال در شرايط فوق بحراني بسيار پيچيده است. در اين شرايط، كشش سطحي مايع صفر مي شود و خواص ترموديناميكي آن مانند ظرفيت حرارتي و چگالي به شدت دچار تغيير مي شود. بدين منظور دو هندسه RCM01و RCM03انتخاب شده است كه به ترتيب جريان غيرواكنشي فواره فوق بحراني نيتروژن در فشار حدود 60 بار و جريان واكنشي فوق بحراني هيدروژن گازي-اكسيژن مايع، كه در آن فشار محفظه 60 بار و بالاتر از فشار بحراني هيدروژن و اكسيژن است، بررسي شده است. در مطالعه پاشش فواره نيتروژن، و با گسسته سازي مرتبه دوم معادلات حاكم، مدل هاي مختلف اغتشاشي بررسي شده و مشاهده شده است كه مدل نتايج بهتري درخصوص پيش بيني ناحيه لايه برشي، تشكيل گردابه هاي كناري و درنتيجه اختلاط ارائه مي دهد. پيش بيني بهتر مدل مي تواند ناشي از تخمين بهتر جمله مربوط به گرانروي آشفتگي در فرض بوزينسك باشد. همچنين، مشاهده شده است كه ميزان بازشدگي فواره ورودي وابسته به نحوه پيش بيني گردابه مجاور ديواره در مدل هاي اغتشاشي مختلف است. هرچقدر ميزان گردابه تخمين زده شده بزرگ تر باشد، اختلاط در هسته مركزي جريان با نرخ كمتري صورت مي گيرد و نمودارهاي مربوط به توزيع چگالي ديرتر يكنواخت خواهد شد. همچنين، در بررسي جريان واكنشي LOX-GH2، مدل هاي اغتشاشي مختلف و همچنين معادله حالت هاي مختلف براي بررسي اين شرايط، مطالعه شده است. عملكرد مدل هاي مختلف اغتشاشي در پيش بيني شكل شعله و توزيع دما بررسي شده و ديده شده است كه مدل عملكرد بهتري در پيش بيني شكل شعله، در شرايطي كه از گسسته سازي مرتبه اول بالادست معادلات استفاده شد، دارد. اثر اعمال شرايط گاز حقيقي با شرايط گاز ايدئال در پيش بيني شكل شعله به خوبي نمايان مي سازد كه فرض گاز ايدئال در يك احتراق فوق بحراني خطاي زيادي در تخمين شكل و طول شعله به همراه دارد. همچنين، معادلات مختلف پيشنهادشده براي رفتار گاز حقيقي در هر دو آزمايش بررسي شد كه مدل SRKداراي نزديك ترين نتايج به داده هاي تجربي موجود است.

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.