Palamisen mallinnus suurten pyörteiden simuloinnissa
Tuominen, Lasse Matias (2011)
Tuominen, Lasse Matias
2011
Konetekniikan koulutusohjelma
Luonnontieteiden ja ympäristötekniikan tiedekunta - Faculty of Science and Environmental Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2011-05-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011051814672
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011051814672
Tiivistelmä
Suurin osa maailman primäärienergiasta tuotetaan erilaisilla polttoprosesseilla. Matemaattisen mallinnuksen avulla voidaan nopeuttaa kehitysprosesseja sekä saada tietoa, jota ei ole kokeellisesti saatavissa. Suuren pyörteiden simuloinnissa (LES) turbulenssin suuret pyörteet lasketaan tarkasti ja pienet mallinnetaan. LES laskennassa saadaan tarkempaa tietoa virtauksesta ja sekoittumisesta kuin perinteisillä menetelmillä.
Kaikki kemiallisten reaktioiden kokoluokat ovat pienempiä kuin pienimpien ratkaistujen pyörteiden kokoluokat. Tämän vuoksi kaikki kemialliset ilmiöt pitää mallintaa. Työssä esitellään erilaisia tapoja mallintaa palamista. Flamelet-malleilla saadaan helposti pienennettyä virtaussimuloinnin kuormitusta. Flamelet-mallit hyödyntävät seososuuden käsitettä, jolla eri aineiden ja energian siirtoyhtälöt saadaan kirjoitettua yhden siirtoyhtälön avulla. Flamelet-malleilla ei voida perustapauksessa huomioida ei-adiabaattisia ilmiöitä. Tärkeimmät ei-adiabaattiset ilmiöt ovat säteily ja lämmönsiirto polttolaitteen seinämillä. Lisäämällä flamelet kirjastoon entalpiaero parametriksi ja ratkaisemalla virtauslaskennassa energialle oma siirtoyhtälö saadaan huomioitua edellä mainitut tekijät. EDC- ja PaSR-malleilla kaikille mukana oleville aineille ratkaistaan omat siirtoyhtälöt, joiden lähdetermit mallinnetaan ottamaan huomioon turbulenssin aiheuttama sekoittuminen. Kemiallisten lähdetermien mallintaminen perustuu molemmissa malleissa siihen, että osa laskentakopin aineista oletetaan reagoivan täydellisesti sekoittuneen reaktorin tavoin, minkä jälkeen aineet sekoittuvat reagoimattoman osuuden kanssa.
Flamelet-malleja käyttämällä mallinnuksessa pystytään tehokkaasti pienentämään laskentakuormaa, koska ratkaistavien siirtoyhtälöiden lukumäärä ei riipu kemiallisen reaktiomekanismin monimutkaisuudesta. Kuitenkin ei-adiabaattiset ilmiöt näyttelevät hyvin tärkeää osaa todellisten polttolaitteiden mallinnuksessa, tämän takia sekoitusmallit ovat houkuttelevia, koska niissä näiden ilmiöiden huomioiminen on helpompaa.
Työn kuluessa mallinnettiin BERL poltinta, joka osoittautui hankalaksi. Laskenta oli hidasta ja käytetty laskentakoodi herkkä kaatumaan. Tämän vuoksi ei saatu julkaisukelpoisia tuloksia työssä esitettäväksi. /Kir11
Kaikki kemiallisten reaktioiden kokoluokat ovat pienempiä kuin pienimpien ratkaistujen pyörteiden kokoluokat. Tämän vuoksi kaikki kemialliset ilmiöt pitää mallintaa. Työssä esitellään erilaisia tapoja mallintaa palamista. Flamelet-malleilla saadaan helposti pienennettyä virtaussimuloinnin kuormitusta. Flamelet-mallit hyödyntävät seososuuden käsitettä, jolla eri aineiden ja energian siirtoyhtälöt saadaan kirjoitettua yhden siirtoyhtälön avulla. Flamelet-malleilla ei voida perustapauksessa huomioida ei-adiabaattisia ilmiöitä. Tärkeimmät ei-adiabaattiset ilmiöt ovat säteily ja lämmönsiirto polttolaitteen seinämillä. Lisäämällä flamelet kirjastoon entalpiaero parametriksi ja ratkaisemalla virtauslaskennassa energialle oma siirtoyhtälö saadaan huomioitua edellä mainitut tekijät. EDC- ja PaSR-malleilla kaikille mukana oleville aineille ratkaistaan omat siirtoyhtälöt, joiden lähdetermit mallinnetaan ottamaan huomioon turbulenssin aiheuttama sekoittuminen. Kemiallisten lähdetermien mallintaminen perustuu molemmissa malleissa siihen, että osa laskentakopin aineista oletetaan reagoivan täydellisesti sekoittuneen reaktorin tavoin, minkä jälkeen aineet sekoittuvat reagoimattoman osuuden kanssa.
Flamelet-malleja käyttämällä mallinnuksessa pystytään tehokkaasti pienentämään laskentakuormaa, koska ratkaistavien siirtoyhtälöiden lukumäärä ei riipu kemiallisen reaktiomekanismin monimutkaisuudesta. Kuitenkin ei-adiabaattiset ilmiöt näyttelevät hyvin tärkeää osaa todellisten polttolaitteiden mallinnuksessa, tämän takia sekoitusmallit ovat houkuttelevia, koska niissä näiden ilmiöiden huomioiminen on helpompaa.
Työn kuluessa mallinnettiin BERL poltinta, joka osoittautui hankalaksi. Laskenta oli hidasta ja käytetty laskentakoodi herkkä kaatumaan. Tämän vuoksi ei saatu julkaisukelpoisia tuloksia työssä esitettäväksi. /Kir11