Modeling of auto-ignition and NOx formation in turbulent reacting flows

Collonval, Frédéric

Frédéric Collonval

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Original title:: Modeling of auto-ignition and NOx formation in turbulent reacting flows
Translated title:: Selbstzündung Modellierung und NOx-Bildung in turbulenten reaktiven Strömungen
Author:: Collonval, Frédéric
Year:: 2015
Document type:: Dissertation
Faculty/School:: Fakultät für Maschinenwesen
Advisor:: Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.)
Referee:: Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.); Jenny, Patrick (Prof., Ph.D.)
Language:: en
Subject group:: ERG Energietechnik, Energiewirtschaft
Keywords:: Nitrous oxide, auto-ignition, large eddy simulation
Translated keywords:: Stickoxid, Selbszündung, large eddy simulation
TUM classification:: MTA 600d; CIT 280d; ERG 420d
Abstract:: The need of energy to sustain the development of humanity is dramatically increasing. Despite the growing importance of renewable energies, the availability and maturity of the technology for combustion systems will result in the predominance of the fossil energy for the next 40 years. But in order to mitigate the global warming, new developments are needed to improve the efficiency of the combustors while keeping as low as possible the emissions. Among the unwanted species the nitrogen oxides known as NO_x is of primary concern for combustor designers. This has been a challenge for decades. Therefore for a given nominal operating point the global efficiency is close to the ideal one. But for large combustion systems like gas turbines, the range of operating conditions is quite broad and will be broader with the continuous growth of the renewable energy systems. Therefore the present challenge is to enlarge the range of operating conditions for which the system runs with high efficiency. Another challenge for the combustion devices is the development of bio-fuel at full or partial proportions. Their behaviors are quite different to the classical fuels used up to now in motors. So the combustion models developed must be able to capture the high variability of the fuel composition and predict correctly the consequences in term of flames stability and emissions production. In those respects, the sequential combustion system as developed by Alstom Power's GT 24/26 or Homogeneous-Charge Compression Ignition engine (HCCI) are interesting concepts. Unfortunately, the design and modeling of such system is quite complex as strong interactions between the turbulence and the chemistry are taking place, leading to no-ignition, self-ignition or even flash-back. A huge break-through has been achieved by applying Large-Eddy Simulations to combustion chambers. Indeed the exponential growth of computational power made the transient simulations of realistic burners possible. Unfortunately the greater insight on the flow brought also a need for new turbulence-chemistry models and a revival of more efficient ways to deal with the accurate computation of the chemistry source terms. In this work the quality and accuracy of a new model proposed originally by Dr.-Ing. R. Kulkarni is assessed. The turbulence-chemistry model is based on the transport of the composition probability density function using Eulerian stochastic fields. The cost of the chemistry is radically reduced by storing the source terms in look-up tables. The latter part will be validated solely against simple configurations: homogeneous reactors, auto-igniting mixing layers and laminar premixed flames. Then the accuracy of the turbulence-chemistry model will be evaluated against auto-ignition configurations. Finally an extension of the model to predict emissions will be presented. The need of a dedicated model for the pollutant formation results of the different range of chemical time scales between the combustion and the pollutants chemistry, e.g. the thermal NO_x. The model will be tested on homogeneous reactors and laminar premixed flames.
Translated abstract:: Der weltweite Energiebedarf steigt aufgrund des anhaltenden wirtschaftlichen Wachstums dramatisch an. Trotz der zunehmenden Bedeutung von erneuerbaren Energieträgern wird die Vorherrschaft fossiler Energieträger während der nächsten vierzig Jahre weiterhin bestehen bleiben. Dies liegt vor allem an deren guter Verfügbarkeit und am hohen Entwicklungsstand der fossilen Verbrennungstechniken. Um der globalen Erwärmung entgegen zu wirken, muss die Entwicklung neuer Verbrennungstechniken hinsichtlich Effizienz und Emissionen weiter vorangetrieben werden. Insbesondere müssen die Stickoxidemissionen, auch bekannt als NO_x, reduziert werden. Diese Aufgabe stellt seit Jahrzehnten eine Herausforderung dar. Für einen spezifischen Betriebspunkt liegt die Effizienz solcher Systeme meist nahe des theoretischen Maximums. Für große Verbrennungssysteme, wie z.B. Gasturbinen, ist der reale Betriebsbereich jedoch sehr weit gefächert. Dies wird in Zukunft durch den kontinuierlichen Zuwachs an erneuerbaren Energiesystemen noch weiter verstärkt. Die aktuelle Herausforderung besteht nun darin, den Betriebsbereich, in dem ein hoher Wirkungsgrad realisiert wird, zu vergrößern. Eine weitere Herausforderung für Verbrennungssysteme ist die teilweise oder vollständige Verwendung von Bio-Kraftstoffen. Das Verhalten dieser Brennstoffe unterscheidet sich grundlegend von den heute meist verwendeten klassischen Brennstoffen. Daher müssen die zur Vorhersage verwendeten Verbrennungsmodelle, die aktuell entwickelt werden, zum einen die hohe Variabilität der Brennstoffzusammensetzung berücksichtigen, und zum anderen das Verhalten in Bezug auf Flammenstabilisierung richtig vorhersagen. Unter Berücksichtigung der genannten Aspekte sind das von Alstom entwickelte sequentielle Verbrennungssystem für Gasturbinen sowie homogen aufgeladene Verbrennungsmotoren (engl. HCCI) interessante Konzepte. Leider gestalten sich die Auslegung und die Modellierung solcher Systeme als sehr schwierig, da die starke Interaktion von Chemie und Turbulenz zu Flammenlöschen, Selbstzündung oder Flammenrückschlag führen kann. Ein großer Durchbruch gelang durch die Verwendung von Grobstruktursimulation (engl. LES) für die Berechnung von Brennkammern. Durch das exponentielle Wachstum der Rechenleistung wird die Berechnung realer Brenner zunehmend möglich. Der damit erreichte tiefere Einblick in die Strömungszustände brachte jedoch auch die Notwendigkeit mit sich, neue Modelle für die Turbulenz-Chemie Interaktion zu verwenden und nach effizienten Wegen zu suchen, den chemischen Quellterm zu berechnen. Während dieses Projekts wird die Qualität und Genauigkeit des neuen Lösers von Dr.-Ing. R. Kulkarni beurteilt. Das Turbulenz-Chemie-Modell basiert auf dem Transport von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF) für die Zusammensetzung unter Verwendung von Euler-stochastischen Feldern. Der Aufwand für die Chemieberechnungen wird drastisch reduziert, indem die Quellterme im Vorfeld in Tabellen gespeichert und während der Simulation aufgerufen werden. Der letztgenannte Ansatz wird anhand von einfachen Konfigurationen überprüft: homogene Reaktoren, Selbstzündung von geschichteten Mischungen und laminare Vormischflammen. Die Exaktheit des Turbulenz-Chemie Modells wird anhand von selbstzündenden Konfigurationen validiert. Zum Schluss wird eine Erweiterung im Hinblick auf die Emissionsvorhersage eingeführt. Die Notwendigkeit für ein dezidiertes Emissionsmodell resultiert aus der Tatsache, dass sich die Zeitskalen der Verbrennung und der Schadstoffchemie stark unterscheiden. Das entwickelte Modell wird anhand von homogenen Reaktoren und laminaren Flammen getestet.
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1230118
Date of submission:: 29.09.2014
Oral examination:: 06.02.2015
File size:: 6468015 bytes
Pages:: 217
Urn (citeable URL):: https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20150206-1230118-1-8
Last change:: 29.05.2015
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