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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
No d'ordre: 2234 TH ESE presentee pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : EDyF Specialite : Dynamique des Fluides Par M. Patrick Schmitt Simulation aux grandes echelles de la combustion etagee dans les turbines a gaz et son interaction stabilite - polluants - thermique Soutenue le 29 Juin 2005 devant le jury compose de MM. Thierry Poinsot Directeur de these Johannes Janicka Rapporteur Denis Veynante Rapporteur Christian Angelberger Examinateur Peter Flohr Examinateur Iskender Gokalp Examinateur Reference CERFACS: TH/CFD/05/45

  • beurteilung des manuskripts aber auch

  • auch private

  • desweiteren gilt mein

  • cerfacs und

  • couplage entre l'acoustique

  • gilt auch

  • configuration industrielle

  • combustion

  • emissions d'oxydes d'azote


Publié le : mercredi 1 juin 2005
Lecture(s) : 52
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 122
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oN d’ordre: 2234
`THESE
present´ ee´
pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR
DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE
´Ecole doctorale : EDyF
Specialit´ e´ : Dynamique des Fluides
Par M. Patrick Schmitt
Simulation aux grandes echelles´
de la combustion etag´ ee´ dans les turbines a` gaz
et son interaction stabilite´ - polluants - thermique
Soutenue le 29 Juin 2005 devant le jury compose´ de
MM. Thierry Poinsot Directeur de these`
Johannes Janicka Rapporteur
Denis Veynante
Christian Angelberger Examinateur
Peter Flohr
¨Iskender Gokalp
Ref´ erence´ CERFACS: TH/CFD/05/45Resum´ e´
La combustion partiellement prem´ elang´ ee´ en regime´ pauvre est utilisee´ dans les
turbines a` gaz modernes afin de reduire´ les emissions´ d’oxydes d’azote. Le travail
present´ e´ propose de montrer que la simulation aux grandes echelles´ permet de
predire´ la formation de ces polluants dans un bruleurˆ de turbine a` gaz. La quan
tite´ d’oxydes d’azote produite depend´ principalement des pertes thermiques, de
la qualite´ du melange,´ de la combustion et de la stabilite´ thermo acoustique de la
configuration.
Un modele` qui suppose que le gaz est optiquement mince permet de prendre en
compte le rayonnement. Une nouvelle loi de paroi thermique basee´ sur la loi
logarithmique permet de quantifier les pertes thermiques par convection. Une
cinetique´ chimique simple a` deux etapes´ couplee´ a` une troisieme` reaction´ modelise´
respectivement la combustion du methane´ et la formation des oxydes d’azote. En
fin, le modele` de flamme epaissie,´ qui integre` les effets de la turbulence, est adapte´
a` la combustion partiellement prem´ elang´ ee´ en regime´ pauvre.
Dans la configuration industrielle present´ ee,´ les injections de carburant ainsi que le
´refroidissement par air froid sont pris en compte. Dans le cas du calcul non reactif,
les champs de vitesses et le melange´ sont compares´ avec succes` aux donnees´
experimentales.´ La position de la flamme et les champs de vitesses associes´ sont
les principaux criteres` de validation du calcul reactif.´ On montre que les pertes
thermiques et les conditions aux limites acoustiques influencent grandement la
prediction´ des emissions´ d’oxydes d’azote. En particulier, une forte instabilite´
de combustion due au couplage entre l’acoustique et la formation du melange´
air carburant est mise enevidence.´ Sans cette instabilite,´ les emissions´ d’oxydes
d’azote sont reduites´ de 75%. Negliger´ les pertes thermiques et le refroidissement
conduit a` decupler´ la production d’oxydes d’azote.
Discipline: Dynamique des Fluides
´Mots cles:´ Simulation aux Grandes Echelles, Combustion pauvre partielle
ment prem´ elang´ ee,´ Rayonnement, Lois de paroi dynamiques et ther-
´miques, Emissions d’oxydes d’azote, Instabilites´ de combustion,
Turbines a` gaz.
Intitule´ et adresse du laboratoire: CERFACS
42, av. G. Coriolis
31057 Toulouse Cedex 1
France
34Danksagung
Mein großter¨ Dank gilt Thierry Poinsot, der mit seiner Zuversicht und enormen
Erfahrung mir ein idealer Doktorvater war. Er ließ mir die notige¨ Freiheit, war
jedoch bei Fragen immer zur Stelle und verstand es meiner Arbeit entscheindende
Impulse zu geben.
Andre´ Kaufmann, Charles Martin, Eleonore Riber und Thilo Schonfeld¨ mochte¨
ich herzlich fur¨ die wissenschaftliche und auch private Unterstutzung¨ danken.
1 ¨Desweiteren gilt mein Dank Franck Nicoud , fur die Hilfe bei den Wandfunktio
2 3nen und Klaus Peter Geigle sowie Bruno Schuermans fur¨ die Messdaten und
Informationen zum ev7is.
Cerfacs stellt ein aussergewohlich¨ angenehmes und stimulierendes Umfeld fur¨
junge Wissenschaftler dar und ich mochte¨ speziell Laurent Benoit, Marta Garcia,
Laurent Gicquel, Ghislan Lartigue, Vincent Moureau, Yannick Sommerer, Lau
rent Selle und Karine Truffin fur¨ all die Diskussionen und Hilfestellungen danken.
Mein Dank gilt auch dem ganzen Sekretariat von Cerfacs, allen voran Marie Laba
dens und auch der Rechneradministration: Isabelle d’Ast, Gerard´ Dejean, Fabrice
Fleury, Patrick Laporte und Nicolas Monnier.
Mein besonderer Dank gilt den Mitgliedern der Jury fur¨ ihre Bereitschaft meine
4 5Doktorarbait zu beurteilen. Zuallererst Denis Veynante und Johannes Janicka
6fur¨ die Beurteilung des Manuskripts aber auch Iskender Gokalp¨ , Christian An
7 3gelberger und Peter Flohr . Letzterem mochte¨ ich auch fur¨ die Initiative zur
Zusammenarbeit von Cerfacs und Alstom Power danken, die den Grundstein fur¨
diese Doktorarbeit legte.
Note sur la forme du manuscrit
Afin de faciliter la relecture de ce manuscrit au membres du jury et aussi pour fa
ciliter la redaction,´ ce document est redig´ e´ en majeure partie en anglais. Pour des
raisons d’accessibilite,´ l’introduction et la conclusion sont present´ ees´ en franc ¸ais
o`dans l’annexe (B) a partir de la page n 191.
oLes planches en couleur se trouvent dans l’annexe (A) a` partir de la page n 179.
1Institut de Mathematiques´ et de Modelisation,´ Universite´ de Montpellier II (F)
2 fur¨ Verbrennungstechnik, Deutsches Zentrum fur¨ Luft und Raumfahrt, Stuttgart (D)
3Alstom Power, Baden (CH)
4 ´Laboratoire E.M2.C, Ecole Centrale Paris (F)
5Fachgebiet Energie und Kraftwerkstechnik, Technische Universitat¨ Darmstadt (D)
6Laboratorie de Combustion et Systemes` Reactifs,´ Orleans´ (F)
7Institut Franc ¸ais du Petrole,´ Rueil Malmaison (F)
5Thermally accurate LES of the stability emission performance
of staged gas turbine combustion
Extended Abstract
Modern gas turbines use turbulent lean partially premixed combustion in order
to minimise nitrous oxide (NO ) emissions while ensuring flashback safety. TheX
Large Eddy Simulation (LES) of such a device is the goal of this work. Focus
is laid on correctly predicting the NO emissions, which are influenced by fourX
factors: heat transfer, mixing quality, combustion modelling and thermo acoustic
stability.
As NO reaction rates are strongly influenced by temperature, heat transfer byX
radiation and convection is included. Radiation is predicted by a model, which
assumes that the gases are optically thin. Convective heat transfer is included via
a newly developed and validated wall function approach based on the logarithmic
law of the wall for temperature.
An optimised 2 step reduced chemical reaction scheme for lean methane com
bustion is presented. This scheme is used for the LES in conjunction with an
additional third reaction, fitted to produce the same NO reaction rates as in theX
complete reaction mechanism. Turbulence is accounted for with the thickened
flame model in a form, which is optimised for changing equivalence ratios and
mesh resolutions.
Mixing is essential not only for predicting flame stabilisation, but also for pollu
tant emissions as NO reaction rates depend exponentially on equivalence ratio.X
Therefore the full burner geometry, including 16 fuel injections is resolved in
LES. Additionally, effusion cooling and film cooling is accounted for in a sim
plified manner. The non reacting flow is extensively validated with experimental
results.
As mixture fraction fluctuations do not only arise from turbulence, but also from
thermo acoustic instabilities, care was taken to provide acoustic boundary con
ditions that come close to reality. The resulting LES shows a strong thermo
acoustic instability, comparing well with experimental observations. By making
the boundaries completely anechoic it is shown that when the instability disap
pears, the NO levels are reduced by 75%. Additionally, neglecting all heat trans X
fer, effusion and film cooling, the NO levels are increased again by one order ofX
magnitude.
Keywords: Large Eddy Simulation, Turbulent lean partially premixed com
bustion, NO emissions, Radiation, Dynamic and thermal wall X
functions, Combustion instabilities, Gas turbine combustion.
6Contents
Nomenclature 9
Introduction 15
1 Large Eddy Simulation 21
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Filtering the Navier Stokes Equations . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Turbulence Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4 Numerics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5 Post processing LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Wall Layer Modelling 45
2.1 Turbulent Boundary Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 Modelling Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3 Equilibrium Law for Cell Vertex Formulations. . . . . . . . . . . 54
3 Performance of the Wall Function 61
3.1 A RANS Simulation using the LES Implementation . . . . . . . . 61
3.2 LES of a Turbulent, Plane, Infinite Channel . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Complex Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Reacting Flows 83
4.1 The Multi Species Navier Stokes Equations . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Chemistry and Flame Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 A 3 step Scheme IncludingNO and CO . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Turbulent Combustion 99
5.1 Turbulent Combustion Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Modelling Approaches Premixed Combustion . . . . . . . . . . . 102
5.3 Application of the TFLES model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
78 CONTENTS
6 Acoustics 113
6.1 Wave propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 Acoustics and Flames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7 Non reactive Simulations of the ev7is 123
7.1 Burner Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2 LES and Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3 Qualitative Analysis of Unsteady Flow . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4 Velocity Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.5 Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8 Reactive Simulations of the ev7is 149
8.1 Combustion Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2 in Anechoic Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3 Combustion with partially reflecting outlet . . . . . . . . . . . . . 162
Conclusion 177
A Colour Plates 179
Precessing Vortex Cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Snapshots of the Reactive Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Phase Averages of the Flame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
´ ´B Resume en franc ¸ais 191
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Bibliography 199
Index 209Nomenclature
α boundary condition relax δ gap between boundary node andw
physical boundary
α TFLES model constantF
δ Kronecker symboli j
α Runge Kutta coefficients1...n
0δ thermal flame thicknessLα fuel staging ratiost
ω ˙ species source term (due to com k
β Reflection coefficient for frequen
bustion)
cies> α
˙ω heat source term (due to combus T
β constant for local thickeningF tion)
β temperature exponentj ω˙ prompt NO reaction rateNO,pr
0H enthalpy change for reaction jj ω˙ thermal NO reaction rateNO,th
0S entropy change for reaction jj ˙ω total NO reaction rateNO
t time step ˙ω fluctuating part of the heat releaseT,(1)
t time between two data samplesr m˙ fuel mass fluxes through stage 1st1
δt characteristic cell timej m˙ fuel mass fluxes through stage 2st2
y distance between boundary node
ε dissipation of turbulence kinetic
and first interior node
energy
LES filter width
η Kolmogorov length scalek
δ flame thickness dwk nodal residualdt
δ the viscous length scaleν
integration of the effective strain
ratemesh spacingc
γ ratio of specific heatsδ channel half widthc
filter size for TFLES γ constant for local thickeninge s
9
DWDGDDDDDD10 NOMENCLATURE
κ von Karm´ an´ constant W mean molecular weight of mix
ture
λ thermal conductivity
→−
A Jacobian of the flux tensorj
λ thermal conductivity of the fresh1
→−gases F inviscid flux tensor
→−ha i residual strain rateT s F inviscid flux at facel
→−L incoming wave1 G flux tensor of the diffusive terms
→−L outgoing wave5 G viscous flux at the boundary facel
−→Q rate of progress of reaction jj dS node normali
d −→S traceless symmetric part of thei j dS boundary face normallsquare of gfi j
→−x node coordinatesi
μ molecular viscosity
φ equivalence ratio
μ mean viscositym
+ +φ phase of pcμ turbulent viscosityt
− −φ phase of pcμ viscosity at the wallw
φ global equivalence ratiog
μ exponents for rate of progressk j
R cell residualjν kinematic viscosity
w vector of conservative variables
ν molar stoichiometric coefficientk j
(·) real part of complex number
modified reaction rate of the fuel
breakdown ρ density
ω angular frequency (2π f ) ρ mean density(0)
maximum of for a laminar flameσ Stefan Boltzmann constant0
computational cell τ optical thicknessj
τ total shear stress τ chemical timescalec
a Reynolds average of a τ Kolmogorov timek
(F)a Favre average of a τ turbulence integral time scalet
U bulk velocity τ wall shear stressw
´WWWWWW

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