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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
No d'Ordre : 2337 THESE presentee pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : TyFEP Specialite : Dynamique des Fluides Par M. Gabriel Staffelbach Simulation aux grandes echelles et analyse acoustique de turbines a gaz industrielles multi-bruleurs Soutenue le 12 Mai 2006 devant le jury compose de Denis Veynante Rapporteur Pierre Comte Rapporteur Epaminondas Mastorakos Examinateur Sebastien Ducruix Examinateur Jim Kok Examinateur Peter Kaufmann Examinateur Thierry Poinsot Directeur de these Reference CERFACS: TH/CFD/06/31

  • triple burner

  • burner interaction

  • burner

  • interaction bruleur

  • impact des bruleurs lateraux sur le bruleur central

  • turbine

  • acoustic azimuthal


Publié le : lundi 1 mai 2006
Lecture(s) : 39
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 105
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oN d’Ordre: 2337
`THESE
present´ ee´
pourobtenir
LETITREDEDOCTEUR
DEL’INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUE
DETOULOUSE
´Ecoledoctorale: TyFEP
Specialit´ e´ : DynamiquedesFluides
ParM.GabrielStaffelbach
Simulationauxgrandesechelles´ etanalyseacoustiquedeturbines
a` gazindustriellesmulti bruleurs
Soutenuele12Mai2006devantlejurycompose´ de
DenisVeynante Rapporteur
PierreComte
EpaminondasMastorakos Examinateur
SebastienDucruix Examinateur
JimKok
PeterKaufmann
ThierryPoinsot Directeurdethese`
Ref´ erence´ CERFACS:TH/CFD/06/31Resum´ e´
Desmesuresdeplusenplusrestrictivessurlesemissions´ polluantespoussentlesconstructeurs
deturbinesa` gaza` dev´ elopperdenouvellestechnologiesainsiqu’a` fairetravaillerlesmachines
´ ´ ´dans des conditions operationnelles inedites. Il arrive que ces conditions operationnelles pro
duisent des effets indesirables´ qui declenchent´ des instabilites´ de combustion. Seuls des tests
pousses´ depuis la phase de conception a` la mise au point des derniers reglages´ permettent de
prev´ oir ces instabilites.´ Mais ces tests sont quasiment impossibles sur une vraie turbine et sou
vent une version simplifiee´ est utilisee´ pour les essais experimentaux´ ainsi que dans les etudes´
numeriques.´ Une simplification habituelle est alors de n’etudier´ que l’un des bruleursˆ de la
turbine complete` (qui peut en compter plusieurs dizaines) et d’extrapoler ces resultats.´ Cette
demarche´ rend impossible l’etude´ de deux mecanismes:´ l’interaction entre bruleursˆ voisins et
le dev´ eloppement de modes acoustiques azimutaux dans des chambres annulaires. Dans cette
` ´these nous utilisons la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) pour etudier ces deux effets et
defac¸onplusgen´ erale´ pourcomprendrelastructuredesflammesdanscesfoyersetleurstabil
isation.
Premierement` la stabilisation de flamme a` l’aide de flammes pilote est etudi´ e´ dans une con
figuation de laboratoire. Apres,` l’influence de modes azimutaux sur des turbines a` gaz annu
lairesestev´ aluee´ enutilisantunemethode´ numerique´ dev´ eloppee´ pendantcettethese` quipermet
d’ev´ aluerl’impactdecesmodessuruneturbineenn’etudiant´ queunseulbruleurˆ . PuisuneSGE
d’unbruleurˆ tripleestpresent´ ee.´ L’impactdesbruleursˆ lateraux´ surlebruleurˆ centralestev´ alue.´
Endernier,lafaisabilite´ d’unesimulationcomplete` dechambreannulaireestdemontr´ ee.´
MOTSCLES: SimulationauxGrandesEchelles,SGE,Combustionpartiellementprem´ elang´ ee,´
InteractionBruleur/Brˆ uleurˆ ,Modesacoustiquesazimutaux,Reponse´ deflamme.Abstract
Pollutantemissionsrestrictionshavedrivengasturbinemanufacturerstoemploynewtechnolo
gies and to operate these systems in extreme operating conditions. These operating conditions
produceinsomecasescombustioninstabilitieswhichcanhavedramaticeffectsfortheturbine.
Extendedexperimentalandnumericalstudiesarethenrequiredtoanalyzethepossiblebehavior
of the end design. Unfortunately tests on the real set up are not possible and simplified cases
are used. Although gas turbines can contain up to 30 burners blowing into the same annular
chamber, tests in laboratories are often performed on one single burner. This simplification
obviouslysuppressestwomechanisms: burner/burnerinteractionandthepossibilityofacoustic
azimuthalmodesofthefullannularchamber.
The objective ofthis thesis is touse Large Eddy Simulation(LES) to investigate whether these
mechanisms are important or not. An additional issue considered is the effect of the pilot fuel
injectiononflamestability.
First,theinfluenceofapilotflameontheflamestabilizationofalaboratoryscaleburnerisstud-
ied. Then, using a numerical method developed during this thesis, the impact of an azimuthal
mode on a turbine is analyzed using single burner LES. A LES of a triple burner configuration
is presented and the impact of the side burners on the central burner analyzed. To finish, the
feasibilityoffullchamberLESisdemonstrated.
Keywords: Large Eddy Simulation, Turbulent lean partially premixed combustion, Com
bustion instabilities, Burner burner interaction,Azimuthal acoustic modes,
Flameresponse.Notesurlaformedumanuscrit
Afin de faciliter la relecture de ce manuscrit au membres du jury et aussi pour faciliter la
redaction,´ cedocumentestredig´ e´ enmajeurepartieenanglais. Pourdesraisonsd’accessibilite,´
une resum´ e´ etendu´ est present´ e´ en franc¸ais dans l’annexe. Les articles publies´ ou en attente de
publicationsonteg´ alementinclusdansl’annexe.Contents
Introduction 13
1 Numericalsimulationforindustrialgasturbines 19
1.1 Numericaltoolsforunsteadycombustioningasturbineburners . . . . . . . . 19
1.2 InstantaneousNavierStokesequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 Thegoverningequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 Thermodynamicalvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3 Theequationofstate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.4 ConservationofMass: Speciesdiffusionflux . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.5 Viscousstresstensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.6 Heatfluxvector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.7 Transportcoefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.8 Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 GoverningequationsforLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 TheLESConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2 TheGoverningEquationsforNon ReactingFlows . . . . . . . . . . . 29
t1.3.3 Modelsforthesubgridstresstensorτ : . . . . . . . . . . . . . . . . 33ij
1.3.4 Modellingforreactiveflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4 NumericalMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39CONTENTS
1.4.1 Cell VertexDiscretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.2 Thenumericalschemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4.3 ArtificialViscosityModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4.4 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.4.5 Non Characteristicboundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.4.6 Characteristicboundaryconditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.5 Anacoustictoolforindustrialconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.1 Methodology: theHelmholtzequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.2 InitialandBoundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.5.3 Atestcase: aboxshapedcombustionchamber . . . . . . . . . . . . . 56
2 Specificitiesofrealgasturbinegeometries: ImplicationsforLES 59
2.1 Rangeofscalestoresolve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2 Combustioninindustrialgasturbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.1 Diffusionflames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.2 Perfectly/Partiallypremixedcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.3 Pilotflames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.1 Acousticsinreactingflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.2 Flametransferfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.3 Acousticsinanannularchamber: rotatingandstandingmodes . . . . . 66
3 Influenceofflamepiloting 81
3.1 Simulationparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2 TheNDP1testrig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3 Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.1 Flameposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8CONTENTS
3.3.2 Flameregimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 LinksbetweenflamestabilizationandPVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4 Usingsingleburnersimulationstostudyazimuthalmodes 95
4.1 SingleburnerLESforstudyingazimuthalmodes(ESBACapproach) . . . . . . 96
4.2 Burnercharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Flameresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 Burnertype1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.2 Burnertype2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 Comparisonoftype1andtype2burners . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 LESofmulti burnerchambers 105
5.1 Context: theEUprojetDESIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2 Studyofmulti burnercombustors: WP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3 Geometry,regimesandBoundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4 Coldflowresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5 Reactingflowresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.6 Acousticstudyoftheset ups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.7 Flameresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.8 Towardsfullburnersimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Conclusion 131
A Presentation´ etendue´ delathese` 133
B CharacteristicWaveDecomposition 141
B.1 Basicdefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9CONTENTS
B.2 Governingequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
B.3 Somehintsontheactualcoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
B.4 LinkbetweenAVBPformulationandoriginalNSCBC . . . . . . . . . . . . . 159
C Publications 163
C.1 LargeEddySimulationandacousticanalysisofmulti burnercombustors . . . 163
C.2 LargeEddyofpilotingeffectsonturbulentswirlingflames . . . . . 178
C.3 HIGHLY PARALLEL LARGE EDDY SIMULATIONS OF MULTIBURNER
CONFIGURATIONSININDUSTRIALGASTURBINES . . . . . . . . . . . 194
Bibliography 205
10

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