Virtausmallinnus on muodostunut yhä tärkeämmäksi työkaluksi yritysten tuotekehityksessä ja muun muassa vähäpäästöisten poltinten suunnittelussa. Tässä diplomityössä on tutkittu väkevien hajukaasujen erillispolton virtaussimulointia tulitorvikattilassa RANS-laskennalla ja k–epsilon-turbulenssimallilla. Kemialliset reaktiot mallinnettiin kaksivaiheisella reaktiomekanismilla maakaasun sekä hajukaasun osalta. Reaktioyhtälöissä käytettiin yhteensä kahdeksaa eri lähtöainetta ja reaktiotuotetta.
Polttoprosessin lisäksi tutkimuksen keskiössä on Enviroburners Oy:n kehittämän hajukaasupolttimen ilmanvaiheistuksen tutkiminen sekä OpenFoam-virtausmallinnusohjelman käyttöönotto ja sopivien mallinnusmenetelmien selvitys. Tutkimuksen tarkoituksena on luoda pohja yrityksen omalle virtausmallinnukselle osana tuotekehitystyötä, joka tähtää vähäpäästöisiin ratkaisuihin ja innovatiivisiin low-NOx-tekniikoihin. Yhtenä tärkeimmistä low-NOx-menetelmistä on ilmanvaiheistus, jonka tarkemman tutkimisen virtausmallinnus mahdollistaa. Hajukaasupolttimen toimintaa arvioidaan ilmanvaiheistuksen sekä sen aiheuttaman drallin ja liekin avulla sekä kirjallisuuden perusteella. Palamisprosessia tutkitaan hajukaasun ja maakaasun yhteispoltolla selvittämällä erilaisten palamismallien yksityiskohtia sekä laskentaparametrien vaikutuksia simulointituloksiin. Työssä on käsitelty myös yksityiskohtaisten komponenttien verkotustapoja ja -tekniikoita sekä sopivan laskentahilan luomista laskentatilavuuteen snappyHexMesh-verkotustyökalun avulla.
Tutkimuksessa havaittiin, että polttimen ja palopään lähialueiden tarkka verkottaminen on tärkeää, jotta eri virtauskentät ja paluuvirtausalue näkyvät tuloksissa tarpeeksi hyvin. Kolmesta eri palamismallista sekä kinetiikan parametreista Magnussenin malli sekä viritetyt kinetiikkaparametrit vaikuttivat sopivilta tuotekehitysprojektin jatkoa ajatellen. Tertiääri-ilman kasvattaminen suhteessa sekundääri-ilmaan levittää liekkiä ja parantaa drallia. Tällöin myös syntyy liekin stabiloinnin kannalta oleellinen paluuvirtauskenttä. Lisäksi virtausnopeudet sekä lämpötilat pysyttelevät tällä menetelmällä matalammalla tasolla. Laskentahilan ja tulosten luotettavuutta arvioidaan hilan herkkyystarkastelun avulla.Flow modeling has become an increasingly important tool in enterprise product development, as well as in low-emission burner design. In this master’s thesis the flow simulation of separate combustion of concentrated non-condensable gases in fire tube boiler was studied with RANS-equations and k–epsilon turbulence model. Chemical reactions were modeled by using two-phase reaction mechanism for natural gas and CNCG gas. A total of eight different reactants and reaction products were used in chemical equations.
In addition to combustion process, the focus of the research was studying the air staging of a CNCG-burner developed by Enviroburners Ltd. One of the objects was the initialization of flow simulation software Openfoam and investigation of suitable modeling methods. The objective of the research is to provide a basis for the company’s product development, which aims to low emission solutions and innovative low-NOx techniques. One of the most important low-NOx methods is air staging, which can be studied more accurately by flow modeling. The operation of the CNCG-burner is evaluated according to air staging as well as the swirl and the flame it causes. The operation is also evaluated on the basis of literature. The combustion process is studied by co-burning of CNCG and natural gas and examining the details of different combustion models and effects of computation parameters on the simulation results. This master’s thesis also discusses the methods and techniques of meshing detailed components as well as creating suitable mesh with snappyHexMesh to the computation volume.
The study revealed that accurate meshing of burner and its local regions is important in order to achieve accuracy in different flow fields and return flow results. From three types of combustion models and different kinetic parameters, the Magnussen model and tuned kinetic parameters seemed the most suitable considering the continuation of the development project. Increasing the tertiary air relative to secondary air widens the flame and improves the swirl. That also causes a return flow field, which is essential for flame stabilization. Also flow rates and temperatures remain at lower level by using this method. The reliability of the calculation and results are evaluated by the mesh sensitivity analysis.
