Turbulence and flame interaction for control of flame location in diffuser combustor

Abstract

Achieving an appropriate flame location is desirable in many combustion system applications especial in the design of the combustion system. Given that the characteristics of turbulent flows influence flame behavior and the design of combustion systems, flame location can be controlled within desirable levels without distorting the design of the combustor geometry by selecting suitable characteristics. A feedback control method utilizes the characteristics of turbulent flows to stabilize the flame location within the desirable level. The primary objective of this study is to introduce a strategy for flame location control using characteristics of turbulence flow. Turbulence intensity and length scale are among the main parameters of turbulent flow. Therefore, the secondary goal of this study is to investigate the influence of turbulence intensity and length scale on flame location. The investigation of the dependency of flame location on turbulence is based on selecting suitable combustor geometry. For this purpose, the axisymmetric diffuser form is used to reveal the response of the flame location of a turbulent premixed flame that has been exposed to various turbulence intensities and length scales. The diffuser is selected because the flow slows down along the direction. Thus, the flame is expected to propagate towards the inlet when the flame speed increases. In this manner, the effect of turbulence can be studied without changing the thermal power. In addition, the diffuser combustor is used to avoid blow-off and flame extinction because the flow slows along the combustor. Two types of diffuser combustors are selected for this study. The first combustor is a cylindrical diffuser, while the second one is a cylindrical diffuser with a conical insert. Numerical simulations are applied to the diffuser combustor for turbulent premixed propane flames by using a coherent flame model integrated to the Reynolds-averaged Navier–Stokes flow model with k-epsilon turbulence model. Firstly, the influence of turbulence on flame location in a diffuser-type combustor is studied under steady-state conditions. Results show that the flame location moves towards the inlet of the diffuser combustor with the increase in turbulence intensity for moderate- and high-turbulence length scales. The behavior of flame location is different in the low-turbulence length scale. The flame location initially decreases with the increase in turbulence intensity and subsequently stabilizes. Furthermore, the flame area density influences the flame location with the increase in turbulence intensity and turbulence length scale. Turbulence intensity and length scale simultaneously influence the flame area density, flame shape, and flame location. Secondly, the results of the unsteady simulations indicate that turbulence intensity, length scale, and flow separation exert a significant effect on the flame location of the premixed turbulent combustion. The flame front moves toward the diffuser inlet as a result of the increase in turbulence intensity and length scale. The flame location drops to the middle of the diffuser for the high turbulence intensity. However, the effect of turbulence intensity is more visible than that of turbulence length scale within the tested range. An increase in turbulent length scale at a constant turbulence intensity causes a decrease in flame location. It is observed that the combustion and inlet turbulence cause a flow separation mainly downstream of the flame front. Consequently, the secondary flow structures influence the flame topology and location. Therefore, the flame location and shape are influenced by the flow separation and the turbulence intensity and length scale. Thirdly, a conical insert is placed in the middle of a diffuser-type combustor to eliminate the flow separation. The influence of turbulence on flame location in two diffuser-type combustors (with and without conical insert) is studied and compared. Results indicate that the flame moves towards the inlet of the diffuser with the increase in turbulence intensity and length scale in the two diffuser-type combustors. At a high-turbulence length scale, the flame rapidly drops at the inlet of the diffuser with a conical insert with the increase in turbulence intensity, whereas the flame drops to an intermediate level when the diffuser is not used with a conical insert. Moreover, a similarity was observed in the trends of the flame location at low turbulence intensities in both cases. Results show that the Taylor-scale Reynolds number is the influential parameter of flame location and not turbulence intensity and length scale. An increase in the Taylor-scale Reynolds number leads the flame location to move towards the combustor inlet. The flame drops to the inlet of the combustor at a high-turbulence Taylor-scale Reynolds number. Flow separation is observed in the diffuser without a conical insert, and flow separation is eliminated by using the conical insert. Finally, the control of the flame location in the diffuser combustor is studied under various turbulent flow characteristics. A control strategy is suggested for this purpose. Control algorithm written as a Java macro is implemented to a commercial CFD software, namely STAR CCM+. This framework is utilized to perform all the simulations for the premixed turbulent flame under unsteady-state controlled conditions. The algorithm is built to adjust the turbulent kinetic energy and turbulent dissipation rate. Feedback control is introduced to stabilize the flame location at the desired level. Results indicate that control of the turbulent kinetic energy at the inlet control the flame location within the targeted level. In addition, it is observed the flame location moved to a low level for high turbulent kinetic energy whilst it moved to the high level for low turbulent kinetic energy.Uygun alev konumu, yanma sistemlerinin uygulamalarında, özellikle yanma sistemlerinin tasarımında talep edilir. Sınır koşulları, yanma odası geometrisi ve türbülans akış geometrisi gibi birçok parametre alev davranışını etkiler. Verilenlere göre türbülans akışlarının özellikleri, alev davranışını ve yanma sisteminin tasarımını etkiler. Alev konumu, yanma odasının geometrisinin uygun özelliklerin seçimi ile tasarımı bozmadan istenilen seviyeler içinde kontrol edilebilir. Bir geri bildirim kontrol yöntemi alev konumunu istenilen seviyelerde kararlı hale getirmek için türbülans akışın özelliklerinden yararlanır. Bu çalışmanın esas amacı türbülans akışın özelliklerini kullanarak alev konum kontrolü için bir strateji ortaya koymaktır. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsü, türbülanslı akışın ana parametreleri arasındadır. Bu yüzden, bu çalışmanın ikinci amacı alev konumunda türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünün etkilerini araştırmaktır. Alev konumunun türbülansa bağlılığının araştırılması, uygun bir yanma odası geometrisinin seçilmesine dayanır. Bu amaçla, simetrik eksenli difüzör şekli türbülanslı değişik türbülans şiddetlerine ve uzunluk ölçülerine maruz kalmış önceden hazırlanmış alevin alev konumunu ortaya çıkarmak için kullanılır. Akışın yön boyunca yavaşlaması nedeniyle difüzör seçildi. Bu nedenle, alev hızı arttığı zaman alevin içeri doğru yayılması beklenilir. Bu şekilde, Termal güç değişimi olmadan türbülans etkisi çalışılabilir. Ek olarak, yanma odası boyunca yavaşlayan akış nedeniyle, alev sönmesi ve boşaltmadan kaçınmak için difüzör yakıcı kullanılır. Bu çalışma için iki tip yakıcı difüzör seçildi. Birinci yakıcı silindirik bir difüzör iken ikincisi konik eklemeli silindirik difüzördür. Türbülanslı önceden karıştırılmış propan alevleri için difüzör yakıcıya, Reynolds-ortalamalı Navier-Stokes akış modeline k-epsilon türbülans modeli ile entegre edilmiş uyumlu bir alev modeli kullanılarak sayısal simülasyonlar uygulanmıştır. İlk olarak, bir difüzör tipli yanıcıdaki türbülansın alev konumu üzerindeki etkisi kararlı durumlar altında çalışıldı. Sonuçlar, alev konumunun, orta ve yüksek türbülans uzunluk ölçüleri için türbülans yoğunluğundaki artışla birlikte difüzör yanma odasının girişine doğru hareket ettiğini göstermektedir. Düşük türbülans uzunluk ölçülerinde alev konumu davranışları farklıdır. Alev konumu türbülans şiddetindeki artışla beraber başlangıçta azalır ve sonra kararlı hale gelir. Ayrıca, alev alanı yoğunluğu türbülans şiddeti ve türbülans uzunluk ölçüsündeki artış ile birlikte alev konumunu etkiler. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsü aynı zamanda alev alanı yoğunluğu, alev şekli ve alev konumunu etkiler. İkinci olarak, kararsız simülasyonların sonuçları, türbülans şiddeti, uzunluk ölçüsü ve akış ayrımı önceden karıştırılmış türbülans yanmasının alev konumu üzerindeki önemli bir etki uyguladığını belirtir. Türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsündeki artışın sonucu olarak alevin ön tarafı difüzörün içine doğru hareket eder. Alev konumu yüksek türbülans şiddeti için difüzörün ortasına düşer. Bununla birlikte, test aralığında türbülans şiddetinin etkisi türbülans uzunluk ölçüsünün etkisinden daha görünebilirdir. Sabit türbülans şiddetinde türbülans uzunluk ölçüsündeki artış, alev konumunda azalmaya sebep olur. Yanma ve giriş türbülansının, esas olarak alev ön tarafında akış yönünde bir akış ayrımına neden olduğu gözlenmiştir. Sonuç olarak, ikincil akış yapıları alev topolojisi ve konumunu etkiler. Bu nedenle, akış konumu ve şekli; akış ayrımı, türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünden etkilenir. Üçüncü olarak, akış ayrımını ortadan kaldırmak için difüzör tipli yakıcının ortasına bir konik ek yerleştirildi. İki tip difüzörün (konik ekli ve eksiz) alev konumu üzerindeki türbülansın etkisi çalışıldı ve karşılaştırıldı. Sonuçlar, alev, iki difüzör tipli yakıcıda türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsündeki artışla difüzörün girişine doğru hareket ettiğini gösterir. Yüksek türbülans uzunluk ölçüsünde, alev, türbülans şiddetindeki artışla konik bir ekleme ile difüzörün girişinde hızla düşer, oysa difüzör konik bir ek ile kullanılmadığında alev bir orta seviyeye düşer. Dahası, her iki durumda da düşük türbülans şiddetinde alev konumunun eğilimlerinde bir benzerlik gözlendi. Sonuçlar, Taylor-scale Reynolds sayısı türbülans şiddeti ve uzunluk ölçüsünün değil alev konumunun etkili parametresi olduğunu gösterir. Taylor-scale Reynolds sayısındaki bir artış alev konumun yanma odasının girişine doğru hareket etmesine neden olur. Yüksek türbülans Taylor-scale Reynolds sayısında alev yanma odasının girişine düşer. Akış ayırımı konik ekin olmadığı difüzörde gözlendi ve konik ek kullanılarak akış ayırımı ortadan kaldırıldı. Son olarak, difüzör yakıcıda alevin kontrolü farklı türbülanslı akış özellikleri altında çalışıldı. Bu amaç için bir kontrol stratejisi önerildi. Java makro olarak yazılan kontrol algoritması, ticari bir CFD yazılımına, yani STAR CCM + 'ya uygulanır. Bu yapı iskeleti, kararlı hal kontrollü koşullar altında önceden karıştırılmış türbülanslı alev için tüm simülasyonları gerçekleştirmek için kullanılır. Algoritma türbülans kinetik enerjisini ve türbülans dağılım oranını ayarlamak için yapıldı. Alev yerini istenen seviyede sabitlemek için geri besleme kontrolü uygulanır. Sonuçlar girişteki türbülanslı kinetik enerjinin kontrolü, hedeflenen seviyedeki alev yerini kontrol ettiğini gösterir. Buna ek olarak, düşük türbülanslı kinetik enerji için yüksek seviyeye hareket ederken, alev bölgesinin yüksek türbülanslı kinetik enerji için düşük bir seviyeye taşındığı gözlenmektedir.