Numerical simulation of the exit temperature pattern of an engine using a temperature-dependent turbulent Schmidt number

• Autorzy: Kravchenko Igor F. , Kozel Dmytro V. , Yevsieiev Serhii A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2021-0015

Warianty tytułu

PL

Numeryczna symulacja rozkładu temperatury wylotowej silnika z wykorzystaniem liczby Schmidta zależnej od temperatury

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a numerical simulation for predicting the combustor exit temperature pattern of an aircraft engine, developed using the commercial fluid simulation software Ansys Fluent, which assumes a shape probability density function for the instantaneous chemistry in the conserved scalar combustion model and the standard k-ε model for turbulence. We found the compliance of the radial and circumferential non-uniformities of the exit temperature with the experimental data to be insufficient. To achieve much more accurate result, the mixing intensity was enhanced with respect to the initial calculation due to using the reduced value of the turbulent Schmidt number Sc. Numerical simulation was performed for values of the turbulent Schmidt number from Sc = 0.85 (default) up to Sc = 0.2, with results confirming the reduction of radial and circumferential non-uniformities of exit temperature. However, correlation between radial and circumferential non-uniformities is not admissible for these cases. Therefore, we propose to use a temperature-dependent formulation of the turbulent Schmidt number Sc, accounting for the increase in Sc number with increasing gas temperature. A user defined function (UDF) was used to implement the Sc number temperature dependence in Ansys Fluent. The numerical results for the proposed Schmidt number Sc temperature dependence were found to be in acceptable agreement with the experimental data both for radial and circumferential non-uniformities of the exit temperature pattern.

PL

W niniejszym artykule przedstawiono symulację numeryczną do przewidywania rozkładu temperatury przy wylocie z komory spalania silnika lotniczego, opracowaną przy użyciu komercyjnego oprogramowania Ansys Fluent. Przyjęto funkcję gęstości prawdopodobieństwa kształtu dla natychmiastowych reakcji chemicznych w zachowanym skalarnym modelu spalania oraz standardowy model k-ε dla turbulencji. Stwierdzono niewystarczającą zgodność niejednorodności promieniowych i obwodowych temperatury wylotowej z danymi eksperymentalnymi. W celu uzyskania bardziej dokładnego wyniku, intensywność mieszania została wzmocniona w stosunku do początkowych obliczeń w związku z zastosowaniem zredukowanej wartości turbulentnej liczby Schmidta Sc. Symulacje numeryczne zostały przeprowadzone dla wartości turbulentnej liczby Schmidta od Sc = 0,85 (domyślnej) do Sc=0,2, z wynikami potwierdzającymi redukcję niejednorodności promieniowej i obwodowej temperatury wylotowej. Jednakże korelacja pomiędzy niejednorodnością promieniową i obwodową nie jest dopuszczalna dla tych przypadków. Zaproponowano więc, żeby liczb turbulencji Schmidta Sc była ujęta w sposób uzależniony od temperatury, z rosnącym liczby Sc wraz ze wzrostem temperatury gazu. Posłużono się funkcją zdefiniowaną przez użytkownika (UDF) w oprogramowaniu Ansys Fluent w celu implementacji zależności liczby Sc od temperatury. Wyniki numeryczne otrzymane dla zaproponowanej zależności liczby Schmidta od temperatury były w akceptowalnej zgodzie z danymi eksperymentalnymi zarówno dla niejednorodności promieniowej, jak i obwodowej temperatury wylotowej.

Słowa kluczowe

EN

combustion chamber; exit temperature pattern; turbulent Schmidt number; temperature dependence; numerical simulation; UDF; ANSYS Fluent

PL

komora spalania; wzór temperatury wylotowej; turbulentna liczba Schmidta; zależność od temperatury; symulacja numeryczna; funkcja zdefiniowana przez użytkownika; ANSYS Fluent

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 3 (264)
• Strony: 34--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Kravchenko Igor F.

• SE "Ivchenko-Progress", 2, Ivanovastr., 69068, Zaporozhye, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-2304-3356

autor

Kozel Dmytro V.

• SE "Ivchenko-Progress", 2, Ivanovastr., 69068, Zaporozhye, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-7295-2284

autor

Yevsieiev Serhii A.

• SE "Ivchenko-Progress", 2, Ivanovastr., 69068, Zaporozhye, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-5231-0826

Bibliografia

• [1] Barhaghi, D.G., and Hedlund, L., 2018, "Numerical investigation of fluid flow parameters in a combustor simulator.'' Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 5C: Heat Transfer. Oslo, Norway. June 11-15, 2018. VO5CT17A0O1. ASME. doi: 10.1115/GT2018-75018.
• [2] Cubeda, S., Mazzei, L., Bacci, T., and Andreini, A. 2018. "Impact of Predicted Combustor Outlet Conditions on the Aerothermal Performance of Film-Cooled HPT Vanes." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 5C: Heat Transfer. Oslo, Norway. June 11-15, 2018. V05CT17A005- ASME.
• [3] Smiljanovski, V., and Brehm, N. 1999. "CFD Liquid Spray Combustion Analysis of a Single Annular Gas Turbine Combustor." Proceedings of the ASME 1999 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. Volume 2: Coal, Biomass and Alternative Fuels; Combustion and Fuels; Oil and Gas Applications; Cycle Innovations. Indianapolis, Indiana, USA. June 7-10, 1999. V002T02A055. ASME. doi: 10.1115/99-GT-300.
• [4] King, P.T., Andrews, G.E., Pourkashanian, M.M., and Mclntosh, A.C., 2012, "CFD Predictions of Isothermal Fuel-Air Mixing in a Radial Swirl Low NOx Combustor Using Various RANS Turbulence Models." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 2: Combustion, Fuels and Emissions, Parts A and B. Copenhagen, Denmark. June 11-15, 2012. pp. 973-983. ASME. doi: 10.1115/GT2012-69299.
• [5] Launder, B.E. and Spalding, D.B., 1972, Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London, England.
• [6] Yakhot, V., and Orszag, S.A., 1986, "Renormalization Group Analysis of Turbulence: I. Basic Theory," Journal of Scientific Computing, 1(1), pp. 1-51.
• [7] Shih, T.H., Liou, W.W., Shabbir, A., Yang Zh. and Zhu, J., 1995, A New k-ε Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows - Model Development and Validation, Computers & Fluids, 24(3), pp. 227-238.
• [8] Konle, M., de Guillebon, L., and Beebe, C, 2018, "Multi-Physics Simulations With OpenFOAM in the Re-Design of a Commercial Combustor." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 5C: Heat Transfer. Oslo, Norway. June 11-15, 2018. V05CT17A007. ASME. doi: 10.1115/GT2018.
• [9] King, P.T., Andrews, G.E., Pourkashanian, M.M., and McIntosh, A.C., 2012, "Nitric Oxide Predictions for Low NOx Radial Swirlers With Central Fuel Injection Using CFD." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 2: Combustion, Fuels and Emissions, Parts A and B. Copenhagen, Denmark. June 11-15, 2012. pp. 985-993. ASME.
• [10] Tong, A.Y., and Sirignano, W.A., 1986, "Multicomponent Droplet Vaporization in a High Temperature Gas," Combustion & Flame, 66(3), pp. 221-235.
• [11] Renksizbulut, M., Bussmann, M., and Li, X., 1992, "A Droplet Vaporization Model for Spray Calculations." Particle & Particle Systems Characterization, 9, pp. 59-65.
• [12] Miller, R.S., Harstad, K., and Bellan, J. 1998, "Evaluation of Equilibrium and Non-Equilibrium Evaporation Models for Many-DropIet Gas-Liquid Flow Simulations," International Journal of Multiphase Flow, 24(6), pp. 1025-1055.
• [13] Averin S.I., Minaev A.N., Shvydkii V.S., and Yaroshenko Yu.G., 1987, Fluid and Gas Mechanics. Moscow, Metallurgy Publ.
• [14] Launder, B.E. and Spalding, D.B., 1974, "The Numerical Computation of Turbulent Flows," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3, pp. 269-289.
• [15] King, P.T., Andrews, G.E., Pourkashanian, M.M., and McIntosh, A.C., 2012, "CFD Predictions of Isothermal Fuel-Air Mixing in a Radial Swirl Low NOx Combustor Using Various RANS Turbulence Models." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 2: Combustion, Fuels and Emissions, Parts A and B. Copenhagen, Denmark. June 11-15, 2012. pp. 973-983. ASME. doi: 10.1115/GT2012-69299.
• [16] Deissler, R.G., 1955, Analysis of turbulent heat transfer, mass transfer atuifriction in smooth tubes at high Prandtl and Schmidt numbers. Nat'1. Advis. Comm. Aero. Report 1210.
• [17] Deissler, R.G., 1954, Analysis of turbulent heat transfer, mass transfer atui friction in smooth tubes at high Prandtl and Schmidt numbers. Nat'1. Advis. Comm. Aero. Tech. Note 3145.
• [18] ANSYS Fluent User's Guide, 2019, ANSYS Inc.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).