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Thermally accurate LES of the stability-emission performance of staged gas-turbine combustion

Schmitt, Patrick (2005) Thermally accurate LES of the stability-emission performance of staged gas-turbine combustion. (Simulation aux grandes échelles de la combustion étagée dans les turbines à gaz et son interaction stabilité - polluants - thermique.)

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Abstract

La combustion partiellement prémélangée en régime pauvre est utilisée dans les turbines à gaz modernes afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote. Le travail présenté propose de montrer que la simulation aux grandes échelles permet de prédire la formation de ces polluants dans un brûleur de turbine à gaz. La quantité d'oxydes d'azote produite dépend principalement des pertes thermiques, de la qualité du mélange, de la combustion et de la stabilité thermo-acoustique de la configuration. Un modèle qui suppose que le gaz est optiquement mince permet de prendre en compte le rayonnement. Une nouvelle loi de paroi thermique basée sur la loi logarithmique permet de quantifier les pertes thermiques par convection. Une cinétique chimique simple à deux étapes couplée à une troisième réaction modélise respectivement la combustion du méthane et la formation des oxydes d'azote. Enfin, le modèle de flamme épaissie, qui intègre les effets de la turbulence, est adapté à la combustion partiellement prémélangée en régime pauvre. Dans la configuration industrielle présentée, les injections de carburant ainsi que le refroidissement par air froid sont pris en compte. Dans le cas du calcul non-réactif, les champs de vitesses et le mélange sont comparés avec succès aux données expérimentales. La position de la flamme et les champs de vitesses associés sont les principaux critères de validation du calcul réactif. On montre que les pertes thermiques et les conditions aux limites acoustiques influencent grandement la prédiction des émissions d'oxydes d'azote. En particulier, une forte instabilité de combustion due au couplage entre l'acoustique et la formation du mélange air-carburant est mise en évidence. Sans cette instabilité, les émissions d'oxydes d'azote sont réduites de 75%. Négliger les pertes thermiques et le refroidissement conduit à décupler la production d'oxydes d'azote. ABSTRACT : Modern gas turbines use turbulent lean partially premixed combustion in order to minimise nitrous oxide (NOX) emissions while ensuring flashback safety. The Large-Eddy Simulation (LES) of such a device is the goal of this work. Focus is laid on correctly predicting the NOX emissions, which are influenced by four factors: heat transfer, mixing quality, combustion modelling and thermo-acoustic stability. As NOX reaction rates are strongly influenced by temperature, heat transfer by radiation and convection is included. Radiation is predicted by a model, which assumes that the gases are optically thin. Convective heat transfer is included via a newly developed and validated wall-function approach based on the logarithmic law of the wall for temperature. An optimised 2-step reduced chemical reaction scheme for lean methane combustion is presented. This scheme is used for the LES in conjunction with an additional third reaction, fitted to produce the same NOX reaction rates as in the complete reaction mechanism. Turbulence is accounted for with the thickened flame model in a form, which is optimised for changing equivalence ratios and mesh-resolutions. Mixing is essential not only for predicting flame stabilisation, but also for pollutant emissions as NOX reaction rates depend exponentially on equivalence ratio. Therefore the full burner geometry, including 16 fuel injections is resolved in LES. Additionally, effusion cooling and film cooling is accounted for in a simplified manner. The non-reacting flow is extensively validated with experimental results. As mixture-fraction fluctuations do not only arise from turbulence, but also from thermo-acoustic instabilities, care was taken to provide acoustic boundary conditions that come close to reality. The resulting LES shows a strong thermoacoustic instability, comparing well with experimental observations. By making the boundaries completely anechoic it is shown that when the instability disappears, the NOX levels are reduced by 75%. Additionally, neglecting all heat transfer, effusion and film cooling, the NOX levels are increased again by one order of magnitude.

Department:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Poinsot, Thierry
Uncontrolled Keywords:Simulation aux Grandes Echelles - Combustion pauvre partiellement prémélangée - Rayonnement - Lois de paroi dynamiques et thermiques - Emissions d'oxydes d'azote - Instabilités de combustion - Turbines à gaz. KEYWORDS : Large-Eddy Simulation - Turbulent lean partially premixed combustion - NOX emissions - Radiation - Dynamic and thermal wallfunctions - Combustion instabilities - Gas-turbine combustion.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:17 January 2006

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