Thommie Nilsson
Metod för datorberäkning av gasflammor
Att göra datorsimuleringar av komplexa kemiskt reaktiva system, såsom
gasbrännare och motorer, kan vara tidskrävande. Reaktornätverk är en
simuleringsmetod där beräkning av detaljerade kemiska reaktioner separeras
från beräkning av flöde vilket ger en kortare beräkningstid. En metod för att
automatiskt konstruera sådana nätverk har utvecklats och testats på en
brännare för gasturbiner och på en öppen gaslåga.
Gasturbiner är idag en viktig industriell energikälla och mycket utveckling pågår för
att göra dessa effektivare, för att uppfylla utsläppskrav för till exempel kväveoxider
och kolmonoxid och för att klara av fler bränsleblandningar. Datorberäkningar är ett
viktigt verktyg som kan användas för att öka förståelsen av ett system och testa nya
konstruktioner.
I en flödesberäkning delas geometrin upp i små volymelement. Kemiska reaktioner
hanteras av en förbränningsmodell. I det här arbetet användes både en enkel så kallad
homogen reaktormodell, som utgår från en homogen blandning i varje volymelement,
samt den mer avancerade LTIF-CMC-modellen som använder en
sannolikhetsfördelning i varje element.
Reaktornätverk
Ett reaktornätverk består av ett mindre antal relativt stora volymelement, så kallade
zoner. I nätverket görs ingen flödesberäkning, enbart kemin beräknas medan flödet
hämtas från en tidigare beräkning. Metoden som utvecklats för att generera nätverk
bygger på att närliggande volymelement från den tidigare flödesberäkningen
grupperas baserat på variabler såsom temperatur och bränsleinnehåll. Det som är
speciellt med den här metoden är att alla variabler kan hanteras samtidigt. Varje zon
behandlas antingen som en homogen blandning eller med en förenklad
sannolikhetsfördelning. Fördelen med att använda reaktornätverk är att
beräkningstiden är kort. Det är därmed möjligt att göra en flödesberäkning med
förenklad kemi och sedan använda ett reaktornätverk för att beräkna kemiska
reaktioner mer i detalj, såsom emissionsbildning, samt studera effekter av varierande
bränslesammansättning.
Beräkningar som gjorts med
nätverk konstruerade med den
nya metoden har visat lovande
resultat. Bland annat beräknades
bildningen av kväveoxid vid
olika halter av vätgas i bränslet
och vid olika flamtemperaturer.
Handledare: Harry Lehtiniemi, Cathleen Perlman, Daniel Lörstad och Sven-Inge Möller
Examensarbete 60 hp i fysik 2014
Fysiska institutionen, Lunds universitet
Lund Combustion Engineering AB och Siemens Industrial Turbomachinery AB
Examensarbete, Naturvetenskap, Lunds universitet
