京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23882号 / 工博第4969号 / 新制||工||1776(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 黒瀬 良一, 教授 中部 主敬, 教授 岩井 裕 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

There is a great interest to develop biomass combustion systems for industrial and utility applications. Improved biomass energy conversion systems are designed to provide better combustion efficiencies and environmental friendly conditions, as well as the fuel flexibility options in various applications. The gas derived from the gasification process of biomass is considered as one of the potential candidates to substitute traditional fuels in a combustion process. However, the gascomposition from the gasification process may have a wide range of variation depending on the methods and fuel sources. The better understanding of the combustion features for the Gasified Biomass Gas(GBG) is essential for the development of combustion devices to be operated efficiently and safely at the user-end. The objective of the current study is therefore aiming to achieve data associated with the combustion features of GBG fuel for improving the efficiency and stability of combustion process. The numerical result is achieved from the kinetic models of premixed combustion with a wide range of operating ranges and variety of gas compositions. The numerical result is compared with experimental data to provide a better understanding of the combustion process for GBG fuel. In this thesis the laminar flame speed and ignition delay time of the GBG fuel are analyzed, using 1-D premixed flame model and constant volume model respectively. The result from different kinetics are evaluated and compared with experimental data. The influences of initial temperature, pressure and equivalence ratio are considered, as well as the variation of gas compositions. While the general agreement is reached between the numerical result and experimental data for laminarflame speed prediction, deviations are discovered at fuel-rich region and increased initial temperature. For the ignition delay time, deviations are found in the low-temperature and low pressure regime. The empirical equations considering the influence of initial temperature,pressure and equivalence ratio are developed for laminar flame speed and ignition delay times. The influence of major compositions such as CO, H2 and hydrocarbons are discussed in details in the thesis. Furthermore, a simplified kinetic model is developed and optimized based on the evaluation of existing kinetics for GBG fuel combustion. The simplified kinetic model is expected to be used for simulating the complexc ombustion process of GBG fuel in future studies. / <p>QC 20150511</p>

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La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme. / Large Eddy Simulation (LES) is considered as the next generation tool for the development of turbomachinery combustion chambers. In this specific context, reactive flows are of very complex nature and, as a validation goal, LES needs to prove its capabilities on academic configurations. This dissertation aims at demonstrating LES capabilities for the simulation of non-premixed reactive flows that can be found in swirled academic combustion chambers. - LES is first applied to a turbulent reacting configuration with a perfect premixing assumption. Chemical kinetics, turbulent combustion models and their internal parameters are studied. For this flow condition, each model shows his advantages and disadvantages. - Then, the perfect premixed hypothesis is removed, allowing the evaluation of mixing, thermal losses and acoustic boundary conditions for this swirled injector. - Finally, a non premixed combustion chamber is simulated with the dynamically thickened flame model, which was not developped for this kind of reactive flow. However, results are encouraging and demonstrate that the flame localisation is well represented by LES.

A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.

Reduction of the pollutant emissions is a challenge for the gas turbine industry. A solution to this problem is to employ the low swirl burner which can operate at lower equivalence ratios than a conventional swirl burner. However, flames in the lean regime of combustion are susceptible to flow perturbations and combustion instability. Combustion instability is the coupling between unsteady heat release and combustor acoustic modes where one amplifies the other in a feedback loop. The other method for significantly reducing NOx and CO2 is increasing fuel reactivity, typically done through the addition of hydrogen. This helps to improve the flammability limit and also reduces the pollutants in products by decreasing thermal NOx and reducing CO2 by displacing carbon. In this work, the flammability limits of a low swirl burner at various operating conditions, is studied and the effect of pressure, bulk velocity, burner shape and percent of hydrogen (added to the fuel) is investigated. Also, the flame structure for these test conditions is measured using OH planar laser induced fluorescence and assessed. Also, the OH PLIF data is used to calculate Rayleigh index maps and to construct averaged OH PLIF intensity fields at different acoustic excitation frequencies (45-155, and 195Hz). Based on the Rayleigh index maps, two different modes of coupling between the heat release and the pressure fluctuation were observed: the first mode, which occurs at 44Hz and 55Hz, shows coupling to the flame base (due to the bulk velocity) while the second mode shows coupling to the sides of the flame. In the first mode, the flame becomes wider and the flame base moves with the acoustic frequency. In the second mode, imposed pressure oscillations induce vortex shedding in the flame shear layer. These vortices distort the flame front and generate locally compact and sparse flame areas. The local flame structure resulting from these two distinct modes was markedly different.

[pt] Uma metodologia híbrida envolvendo simulação de grandes escalas e função densidade probabilidade transportada (LES-PDF) é desenvolvida para realizar simulações de escoamentos turbulentos reativos a baixo número de Mach. Equações de transporte de massa, da quantidade de movimento e de um escalar são resolvidas em conjunto com uma equação de estado no contexto do método LES. A modelagem da turbulência é realizada pelo modelo clássico de Smagorinsky e a taxa de produção química é representada pela lei de Arrhenius, para reação de combustão única, global e irreversível. As equações de transporte são discretizadas no espaço e no tempo mediante o uso de esquemas de segunda ordem, sobre malhas cartesianas uniformes, no âmbito do método dos volumes finitos. Os efeitos da turbulência sobre a combustão na escala sub-filtro são determinados por uma abordagem lagrangeana da PDF, a qual faz uso da técnica de Monte Carlo: equações diferenciais estocásticas (SDE), equivalentes a equação de Fokker-Plank, são utilizadas para a variável de progresso da reação química. LES e PDF evoluem simultaneamente, trocando informações a cada passo de integração no tempo, de modo que o campo de velocidade filtrado, a freqüência turbulenta e o coeficiente de difusão são fornecidos por LES, enquanto o modelo PDF retorna a taxa de reação química filtrada. Devido ao elevado número de partículas empregado no modelo PDF, a paralelização do programa lagrangeano é realizada, com base na estratégia de decomposição de domínios, implementada no programa euleriano. O modelo final é usado para simular uma configuração experimental que consiste de uma chama de metano e ar, estabilizada entre escoamentos paralelos de gases queimados e gases frescos em um canal de seção transversal quadrada constante. Uma comparação detalhada entre os resultados obtidos e os dados experimentais é realizada. / [en] A hybrid Large Eddy Simulation / transported Probability Density Function (LES-PDF) computational model is developed to perform the numerical simulation of variable-density low Mach number turbulent reactive flows. Transport equations for mass, momentum, and scalars are solved together with an equation of state within the LES framework. Turbulence is modeled using the classical Smagorinsky closure whereas chemical reaction is first addressed thanks to a global single-step chemistry scheme. The governing equations are discretized using second order accuracy spatial and temporal approximations applied to uniform Cartesian meshes within a finite volume framework. The effects of subgrid scale (SGS) turbulence on the combustion processes are accounted for by means of a Lagrangian transported PDF model which is coupled with the LES solver. The PDF model relies on the use of a Monte Carlo technique: Stochastic Differential Equations (SDE), equivalent to the Fokker- Planck equations are considered for the progress variable. LES and PDF models are solved simultaneously, exchanging information at each integration time step, the velocity field, turbulence frequency and diffusion coefficient being provided by LES, whereas the PDF model returns the filtered chemical reaction rate. Parallelization of the Lagrangian solver has been performed based on the domain decomposition strategy, the same strategy being already implemented for the eulerian LES solver. The resulting computational model is used to perform the simulation of an experimental test case consisting of a CH4-air flame established between two streams of fresh and burnt pilot gases in a constant area square cross section channel. The accuracy of the numerical solutions provided by the hybrid LESPDF approach is assessed by detailed comparisons with experimental data.

A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.

A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.