Numerical study on the effects of heated channel walls for laminar premixed synthetic methane/air flame dynamics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-12-12
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
65 + 2
Series
Abstract
The present thesis investigates the possibility of using heated channel walls to ignite a synthetic premixed methane/air fuel mixture without any other external heat sources. After ignition has been achieved, attention is focused on the observed combustion dynamics inside narrow channels. Three different parameters (channel height, aspect ratio and wall temperature) are varied in order to understand the relations of these parameters to the observed combustion dynamics. Furthermore, impacts of embedded vortex generators (VGs) to the observed combustion dynamics are investigated. Simulations are carried out using an open source C++ CFD toolbox OpenFOAM. Due to the versatility of the framework, additional add-ons are implemented to further accelerate the simulations. Present study recognizes and observes correlations between varying key aspects of the channel and resulting phenomena. Decreasing channel height leads to more unstable flames. Decreasing the aspect ratio of the channel, results in delayed ignition, due to relatively short channel length. Furthermore, the vicinity of the outlet, might affect the physics of the flame. Varying wall temperature does not seem to have significant effect on the produced flame type. Only observed differences are regarding the ignition delay, as well as the transient phase. However, with cold walls, the flame is not be able to anchor itself near the wall temperature gradient, leading to an unstable, asymmetric flame. Vortex generators are observed to have a slight speed up for the ignition delay. However, further research is needed on a larger Reynolds number regime, to improve the promising results obtained here. For the future, parameter sweeps should be extended for better understanding of the complex underlying relations between said parameters and observed combustion dynamics. Furthermore, modelling of phenomena can be improved, alternative fuels used and existing instabilities studied. The case can also be investigated in 3d and the transition to turbulence should be considered in order to form a direct link to industrial applications.

Tämä maisterityö tutkii mahdollisuutta käyttää lämmitettyjä kanavaseinämiä valmiiksi sekoitetun synteettisen metaani-ilmaseoksen sytyttämiseen ilman ulkopuolisia lämmönlähteitä. Syttymisen saavuttamisen jälkeen mielenkiinto kohdistuu palodynaamisiin ilmiöihin kapeissa kanavissa. Työssä muutetaan kolmea parametriä (kanavakorkeus, pituus-leveyssuhde ja seinämän lämpötila), jotta näiden vaikutusta palodynaamisiin ilmiöihin voitaisiin paremmin ymmärtää. Tämän lisäksi tutkitaan kanavan sisäisten vortex generaattoreiden vaikutusta kyseisiin ilmiöihin. Simulaatiot suoritetaan avoimen lähdekoodin C++ CFD ohjelmistolla nimeltä OpenFOAM. Ohjelmiston muonipuolisuuden ansiosta lisäosia käyttämällä simulaatioita voidaan nopeuttaa ja optimoida. Tämä työ tunnistaa sekä huomio korrelaatioita varioitujen kanavaparametrien sekä syntyvien ilmiöiden välillä. Kanavakorkeutta pienentämällä syntyvät liekit muuttuvat epästabiilisemmiksi. Pituus-leveyssuhdetta pienentämällä syttyminen viivästyy kanavan lyhyyden johdosta. Tämän lisäksi on mahdollista, että kanavan poistotien läheisyys saattaa vaikuttaa liekin dynamiikkaan. Seinämän lämpötilan muuttaminen ei näytä aiheuttavan muutosta liekkityyppiin. Ainoat erot ovat syttymisen ajankohdassa sekä transienteissa ilmiöissä. Kylmiä seiniä käytettäessä liekin ei onnistu ankkuroitua lämpötilaprofiilin gradienttiin. Tämä johtaa epästabiiliin ja epäsymmetriseen liekkiin. Vortex generaattoreilla havaitaan olevan lievä nopeuttava vaikutus syttymiseen. Lisätutkimus on kuitenkin tarpeellista suuremmalla Reynoldsin luvulla, jotta saavutettuja lupaavia tuloksia voidaan parantaa. Tulevaisuudessa parametritutkimuksia tulisi laajentaa paremman ymmärryksen saamiseksi. Parametrien sekä ilmiöiden välinen vuorovaikutus on kompleksinen ja epälineaarinen. Lisäksi ilmiöiden mallinnusta voidaan parantaa, vaihtoehtoisia polttoaineita voidaan käyttää sekä ilmeneviä epästabilisuuksia tutkia laajemmin. Kanavavirtaustapaus olisi hyvä laajentaa kolmiuloitteiseksi sekä turbulentiksi, jolloin se vastaisi paremmin teollisuuden tarpeita ja sovelluksia.
Description
Supervisor
Vuorinen, Ville
Thesis advisor
Gadalla, Mahmoud
Keywords
CFD, combustion, narrow channels, laminar premixed flames, synthetic methane
Other note
Citation