Computational study on the effects of turbulence intensity and pulse frequency in soot and NOx emissions in gaseous diffusion flames

• Autorzy: Lopez-Parra F.

Warianty tytułu

PL

Obliczeniowe badanie wpływu intensywności turbulencji i częstości pulsacji na emisję sadzy i tlenków azotu NOx w dyfuzyjnym płomieniu gazowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main objective of the work presented in this paper will be to present and discuss the development and implementation of a numerical model to simulate soot formation and depletion in turbulent diffusion flames. The relevance of such model lays on the importance of tying the formation of soot to the ongoing reaction mechanism so that it is fully integrated into the combustion process. The model presented is capable of taking into account the direct effects of turbulence on the amount of soot that is produced in non-premixed flames. This research focuses on the study of an axi-symmetric C2H2 - air turbulent diffusion flame issued from a 3mm round jet with Reynolds number values between 8000 and 16500. The trend observed in the net production of soot with respect to the turbulence intensity is in good agreement with the empirical results found in the literature. These reveal a decrease in soot formation with increasing turbulence. This interaction between particulates and turbulence was then exploited in order to develop a mechanical technique by which a simultaneous reduction in soot and NO x was achieved. The level of turbulence was increased locally by application of a sinusoidal pulse frequency to the fuel stream. Such technique reduced the size of the soot-prone, fuel-rich region, with respect to the equivalent steady state flame, by means of enhancing the mixing between the fuel and the oxidizer. The Realizable k-E model was employed to solve the turbulence transport, whereas the reaction was simulated with a 1-reaction step mechanism and the turbulence-chemistry interaction was solved using the Eddy Dissipation Model. The size of the time steps employed in the unsteady configuration for pulsed flames was 1/20th of the pulse period. The soot model employed in this work observed two different stages in the soot formation process: nuclei inception and particle growth. As a result two transport equations are solved mass fractions of nuclei and soot respectively. The implementation of this model is achieved through user-defined functions that supersede the source terms in the default soot transport equations. Furthermore, the production of NOx was simulated using a classic Zel'dovich mechanism with partial equilibrium assumption for release of atomic oxygen, O, and hydroxyl groups, OH.

PL

Główny cel pracy przedstawionej w niniejszej publikacji dotyczy rozwoju i wdrażania cyfrowego modelowania i symulacji procesu tworzenia i zmniejszania wydzielania się sadzy w turbulentnym płomieniu dyfuzyjnym. Znaczenie takiego modelu opiera się na realizacji modelu będącego w stanie uwzględnić bezpośrednie skutki turbulencji na ilość sadzy wytwarzanej w uprzednio niezmieszanych płomieniach. Istota tych badań skupia się na analizie osiowo-symetrycznych turbulentnych płomieni dyfuzyjnych spalania gazów: C2H2 i powietrza, wydobywających się z okrągłej dyszy o średnicy 3 mm przy wartościach liczby Reynoldsa od 8000 do 16500. Ta tendencja zaobserwowana przy powstawaniu sadzy w zależności od intensywności turbulencji jest w zgodzie z wynikami empirycznymi z literatury, wskazującymi na zmniejszenie ilości powstawania sadzy wraz ze wzrostem turbulencji. Interakcja między składnikami i turbulencją była następnie wykorzystana w celu opracowania urządzenia, w którym zostałby osiągnięty cel równoczesnego obniżenia emisji sadzy i NOx. Poziom turbulencji został zwiększony poprzez zastosowanie sinusoidalnej pulsacji do modulowania strumienia paliwa. Ta procedura zmniejsza wymiar obszaru bogatego w paliwo i podatnego na wydzielanie się sadzy poprzez wzrost wymieszania się paliwa i utleniacza. Uzyskany model k-ε był wykorzystany do rozwiązania problemu turbulentnego transportu, natomiast symulację reakcji przeprowadzono z jednokrokowym mechanizmem reakcji, a współzależność turbulencji i reakcji chemicznych została rozwiązana za pomocą Wirowego Modelu Rozpraszania. Wielkość kroku obliczeniowego w pulsującym płomieniu wynosiła 1/20 okresu impulsu. Model cząstek sadzy użyty w tej pracy uwzględniał dwa różne etapy procesu powstawania sadzy: etap powstawania jąler i etap wzrostu cząstek. W wyniku dwa rozwiązywane są dwa równania transportu - odpowiednio masy frakcji jąder i masy sadzy. Wdrożenie tego modelu odbywa się poprzez funkcje zdefiniowane przez użytkownika, zastępują one warunki źródłowe w domyślnych równaniach transportu sadzy. Ponadto, wytwarzanie NOx rozwiązano za pomocą klasycznego mechanizmu Zeldowicza z założeniem częściowej równowagi podczas wydzielania tlenu atomowego O i grup hydroksylowych OH.

Słowa kluczowe

EN

computational study; turbulence; pulse frequency in soot; emission NOx; gaseous diffusion flames

PL

badania obliczeniowe; turbulencja; pulsacja; emisja sadzy; emisja tlenku azotu; płomień gazowy dyfuzyjny

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2009
• Tom: Nr 5 (200)
• Strony: 101--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Lopez-Parra F.

• General Electric Company Polska

Bibliografia

• [1] Thilly, W. G. (1981) Soot Components as Genetic Hazards. In Lahaye. J and Prado, G (Eds.) Soot Combustion Systems and its Toxic Properties, Plenum Press, New York. pp. 1-12.
• [2] Boyland, E. (1981) The Toxicology of Soot. In Lahaye, J. and Prado, G. (Eds) Soot Combustion Systems and its Toxic Prolierties, Plenum Press, New York. pp. 13-24.
• [3] Magnussen, B. F. (1981) On the structure of turbulence and generalized eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow. 19 th AMA Science Meeting, St Louis, Missouri, USA.
• [4] Magnussen, B. F. (1989) Modelling of NOR and soot formation by the eddy dissipation concept. International Flame Foundation First Topic Oriented Technical Meeting.
• [5] Magnussen, B. F. (1974) An Investigation into the Behaviour of Soot in a Turbulent Free Jet C2H2-Flame. Proc. Combust. Instit., 15, 1415.
• [6] Magnussen, B. F. and Hjertager, B. H. (1976) On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion. Proc. Combust. Instit., 16, 719.
• [7] Magnussen, B. F., Hjertager, B. H., Olsen, J. G. and Bhaduri, D (1979) Effect of Turbulence Structure and Local Concentrations on Soot Formation and Combustion in C 2H2 Diffusion Flames. Proc. Combust. Instit. 17, 1383.
• [8] Tesner, R. A., Snegiriova, T. D. and Knorre, V. G. (1971) Kinetics of Dispersed Carbon Formation, Combustion and Flame, 17, 253.
• [9] Tesner, P. A. Tsygankova, E. I., Guilazetdinov, L. P., Zuyev, V. P. and Loshakova, G. V. The Formation of Soot from Aromatic Hydrocarbons in Diffusion Flames of Hydrocarbon-Hydrogen Mixtures. Combustion and Flame, 17, 279.
• [10] Srivatsa, S. K. (1982) NASA-Lewis Research Center, NAS3-22542, NASA CR-167930, Garrett 21-4309.
• [11] Khan, I. M. and Greeves, G. (1974) In Afgan, N. H. and Beer, J. M. (Eds) Heat Transfer and in flames, chapter 25. Scripta, Washington DC.
• [12] Mauss, F., Schafer, T., Bockhorn, H. and Rosner, D. E. (1994) Inception and Growth of Soot Particles in Dependence on the Surrounding Gas Phase. Combustion and Flame, 99, 697.
• [13] Balthasar, M., Mauss, E., Knobel, A. and Kraft, M. (2002) Detailed Modeling of Soot Formation in a Partially Stirred Plug Flow Reactor. Combustion and Flame, 128, 395.
• [14] Balthasar, M., Mauss, R and Wang, H. (2002) A Computational Study of the Thermal Ionization of Soot Particles and Its Effect on Their Growth in Laminar Premixed Flames. Combustion and Flame, 129, 204.
• [15] Balthasar, M. and Frenklach, M. (2005) Detailed Kinetic Modeling of Soot Aggregate Formation in Laminar Premixed Flames. Combustion and Flame, 140, 130.
• [16] Warnatz, J. (1984) Rate Coefficients in the C/H/O System. In Gardiner Jr, W. C. (Ed.) Combustion Chemistry, Springer-Verlag, New York, Chap. 5. pp. 197-360.
• [17] Fairweather, M., Woolley, R. M. (2004) First Order Conditional Moment Closure Modeling of Turbulent, Nonpremixed Methane Flames. Combustion and Flame, 138, 3.
• [18] Fairweather, M. and Woolley, R. M. (2003) First Order Conditional Moment Closure Modeling of Turbulent, Nonpremixed Hydrogen Flames. Combustion and Flame, 133, 393.
• [19] Brookes, S. J. and Moss, J. B. (1998) Measurements of Soot Production and Thermal Radiation from Confined Turbulent Jet Diffusion Flames of Methane. Combustion and Flame, 116, 49.
• [20] Brookes, S. J. and Moss, J. B. (1999) Predictions of Soot and Thermal Radiation Properties in Confined Turbulent Jet Diffusion Flames. Combustion and Flame, 116, 486.
• [21] Smooke, M. D., McEnally, C. S., Pferfferle, L. D., Hall, R. J. and Colket, M. B. (1999) Computational and Experimental Study of Soot Formation in a Coflow, Laminar Diffusion Flame. Combustion and Flame, 117, 117.
• [22] Kronenburg, A., Bilger, R. W. and Kent, J. H. (2000) Modeling Soot Formation in Turbulent Methane-Air Jet Diffusion Flames. Combustion and Flame, 121, 24.
• [23] Beltrame, A., Porshnev, P., Merchan-Merchan, W., Saveliev, A., Fridman, A., Kennedy, L.A., Petrova, O., Zhdanok, S., Amouri, F. and Charon, O. (2001) Soot and NO Formation in Methane-Oxygen Enriched Diffusion Flames. Combustion and Flame, 124, 295.
• [24] Singh, J., Balthasar, M., Kraft, M. and Wagner, W. (2005) Stochastic Modeling of Soot Particle Size and Age Distributions in Laminar Premixed Flames. Proc. Combust. Instit. 30, 1457.
• [25] Balthasar, M. and Kraft, M. (2003) A Stochastic Approach to Calculate the Particle Size Distribution Function of Soot Particles in Laminar Premixed Flames. Combustion and Flame, 133, 289.
• [26] Chomiak, J. (1976) Dissipation Fluctuations and the Structure and Propagation of Turbulent Flames in Premixed Gases at High Reynolds Numbers. Proc. Combust. Instit. 16, 1665.
• [27] Chomiak, J. (1972) Application of Chemiluminescence Measurement to the Study of Turbulent Flame Structure. Combustion and Flame, 18, 429.
• [28] A. N. Kolmogorov, Journal of Fluid Mechanics, 13, 82, 1962.
• [29] Blauwens, J., Smets, B. and Peeters, J. (1977) Mechanism of “Prompt” NO Formation in Hydrocarbon Flames. Proc. Combust. Instit. 16, 1055.
• [30] Flower, W. L., Hanson, R. K. end Kruger, C. H. (1975) Kinetics of the Reaction of Nitric Oxide with Hydrogen. Proc. Combust. Instit. 15, 823.
• [31] Monat, J. P., Hanson, R. K. and Kruger, C. H. (1979) Shock Tube Determination of the Rate Coefficient for the Reaction N2+O->NO+N. Proc. Combust. Instit. 17, 543.
• [32] Hanson, R. K. and Saliman, S. (1984) Survey of Rate Constants in the N/H/O System. In Gardiner W. C. (Ed), Combustion Chemistry, chap. 6. pp. 361-462.
• [33] Peters, N. and Donnerhack, S. (1981) Structure and Similarity of Nitric Oxide Production in Turbulent Diffusion Flames. Proc. Combust. Instit. 18, 33.
• [34] Bilger, R. W. and Beck, R. E. (1975) Further Experiments on Turbulent Jet Diffusion Flames. Proc. Combust. Instit. 15, 541.
• [35] Drake, M. C., Correa, S. M. Pitz, R. W., Shyy, W. and Fenimore, C. P. (1987) Superequilibrium and Thermal Nitric Oxide Production In Turbulent Diffusion Flames. Combustion and Flame 69, 347.
• [36] Warnatz, J. Lectures in NOx formation in high temperature processes. University of Stuttgart, Germany.
• [37] Fenimore, C. P. (1971) Proc. Combust. Instit. 13.
• [38] De Soete, G. G. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen. Proc. Combust. Instit. 15, 1093.
• [39] Lopez-Parra, F. and Turan, A. (2005) Computational Study on the Effect of Turbulence Intensity and Pulse Frequency in Soot Concentration in an Acetylene Diffusion Flam International Conference on Computational Sciences, pp. 120-128, ICCS 2005, LCNS 3516,Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
• [40] Lopez-Parra, F. and Turan, A. (2005) Computational Study on the Effect of Pulse Characteristics on the Soot and NOx Formation and Combustion in Diffusion Flames. Proceedings to the European Combustion Meeting. Louvain-la-Neuve, Belgium.
• [41] Lopez-Parra, F. and Turan, A. (2005) Computational Study on the Effect of Turbulence Intensity in Soot Formation and Depletion in an Acetylene Diffusion Flame. Proceedings to the European Combustion Meeting. Louvain-la-Neuve, Belgium.
• [42] Lopez-Parra, F. and Turan, A. (2005) Computational Study on the Effect of Turbulent Intensity and Pulse Frequency on Pollutant (Soot and NOx) Concentration in an Acetylene Flame. Submitted for publication in Combustion and Flame.
• [43] Bockhorn, H. Plenary lecture at European Combustion Meeting, The Combustion Institute, Louvain-la-Neuve, Belgium, 2005.