Two dimensional combustion jet
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-20
Department
Major/Subject
Advanced Energy Technologies
Mcode
SCI3106
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
73+8
Series
Abstract
This thesis presents an OpenFOAM simulation of a combustion jet stream. The calculation problem is an assignment from a fuel cell system manufacturer Convion as a way of evaluating OpenFOAM as a tool for developing fuel cell system burner. The work is conducted by simulating the combustion jet with OpenFOAM and by conducting analytic analysis on a zero dimensional combustion reactor. The analytic formulations are shown explicitly and the case set up in OpenFOAM is discussed. The results include discussion compering the analytic and simulation results. The OpenFOAM simulation is conducted as a two dimensional jet stream with parallel flowing oxidizer and fuel streams. Heat transfer inside the domain is included in the simulation. The flow is simulated with a turbulent k-𝜔SST-model, which is a Reynolds Averaged Navier-Stokes -model. Reaction mechanism used is a reduced GRI-MECH 1.2. mechanism, which includes 21 reacting species and 84 chemical reactions. Combustion analysis includes different reacting species, so all the analysis is conducted as multi-component mixtures. The analytic formulations include equilibrium composition of the combustion gases, adiabatic flame temperature, laminar flame speed and reaction kinetics. Cantera is utilized in the laminar flame speed calculations. Heat capacities of the species are obtained from Janaf polynomials, and dynamic viscosities and thermal conductivities are calculated based on rigid collision theory. Also heat transfer and flow properties are estimated. Experiences gathered during the work show that OpenFOAM is a usable tool in combustion analysis. The results also emphasize the spatial dependence of reacting flows, since the zero dimensional results do not directly correspond to the simulation results. Some resemblance can be seen for example with the adiabatic flame temperatures, but the spatial dimensions introduce losses, so ideal solutions do not exactly apply. At the end, the design of the jet geometry wasn’t sufficient for comparing the equilibrium calculations with the simulation results.Tämä diplomityö esittelee OpenFOAM:lla suoritetun poltin simulaation. Työ on toimeksianto polttokennojärjestelmiä valmistavalta Convion yritykseltä, joka työn avulla arvioi OpenFOAM:n käytettävyyttä polttokennojärjestelmiin liittyvän polttimen kehitystyössä. Työ suoritetaan mallintamalla suihkupoltinta OpenFOAM:lla ja suorittamalla nollaulotteista palamislaskentaa. Palamis analyysiin käytetyt yhtälöt esitellään yksiselitteisesti ja OpenFOAM:n alustus käydään läpi. Tuloksien ohella esitellään pohdintaa liittyen laskenta ja simulaatio tuloksien yhtäläisyyksiin ja eroavaisuuksiin. Poltin mallinnus suoritetaan kaksiulotteisena suihkuna, jossa polttoaine ja hapetin virtaavat samansuuntaisesti eri kanavista ja sekoittuvat yhteisessä tilassa. Simulaatio sisältää lämmönsiirtymisen systeemin sisällä. Virtaus on mallinnettu turbulentilla k-𝜔SST virtausmallilla, joka on RANS malli. Reaktiomekanismina käytetään kevennettyä GRI-MECH 1.2 -mekanismia joka sisältää kaksikymmentäyksi yhdistettä ja kahdeksankymmentäneljä kemiallista reaktiota. Palamislaskenta suoritetaan useiden yhdisteiden seoksena. Analyyttiset muotoilut esitellään palamiskaasujen tasapainotilalle, häviöttömälle liekin lämpötilalle, laminaariselle liekin nopeudelle ja reaktionopeus analyysille. Canteraa käytetään liekin nopeuden määritykseen. Yhdisteiden lämpökapasiteetit on otettu Janaf -taulukoille tehdyistä polynomisovitteista. Dynaamiset viskositeetit ja lämmönjohtavuudet lasketaan jäykän törmäysteorian perusteella. Myös lämmönsiirto- ja virtausanalyysiä käydään läpi. Työstä kertyneen kokemuksen perusteella voidaan todeta, että OpenFOAM on hyodyllinen työkalu poltin mallinnuksessa. Tämän lisäksi työn tulokset alleviivaavat liekin paikkariippuvuuden merkitystä. Eroavaisuudet analyyttisessä ja simuloidussa liekinlämpötilassa on helppo yhdistää paikasta riippuvaksi. Lopulta myös geometrian suunnittelu osoittautui puutteelliseksi, jonka johdosta palamiskaasujen tasapainotilaa ei pystytty vertaamaan simulaatiotuloksiin.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Salomaa, Vili-PetteriKeywords
OpenFOAM, combustion, computational fluid dynamics, numerical modeling