Computational Modeling of Turbulent Swirling Diffusion Flames

Abstract

Schopnost predikovat tepelné toky do stěn v oblasti spalování, konstrukce pecí a procesního průmyslu je velmi důležitá pro návrh těchto zařízení. Je to často klíčový požadavek pro pevnostní výpočty. Cílem této práce je proto získat kvalitní naměřená data na experimentálním zařízení a využít je pro validaci standardně využívaných modelů počítačového modelování turbulentního vířivého difúzního spalování zemního plynu. Experimentální měření bylo provedeno na vodou chlazené spalovací komoře průmyslových parametrů. Byly provedeny měření se pro dva výkony hořáku – 745 kW a 1120 kW. Z měření byla vyhodnocena data a odvozeno nastavení okrajových podmínek pro počítačovou simulaci. Některé okrajové podmínky bylo nutné získat prostřednictvím dalšího měření, nebo separátní počítačové simulace tak jako například pro emisivitu, a nebo teplotu stěny. Práce zahrnuje několik vlastnoručně vytvořených počítačových programů pro zpracování dat. Velmi dobrých výsledků bylo dosaženo při predikci tepelných toků pro nižší výkon hořáku, kde odchylky od naměřených hodnot nepřesáhly 0.2 % pro celkové odvedené teplo a 16 % pro lokální tepelný tok stěnou komory. Vyšší tepelný výkon však přinesl snížení přesnosti těchto predikcí z důvodů chybně určené turbulence. Proto se v závěru práce zaměřuje na predikce vířivého proudění za vířičem a identifikuje několik problematických míst v použitých modelech využívaných i v komerčních aplikacích.The ability to predict local wall heat fluxes is highly relevant for engineering purposes as these fluxes are often the main results required by designers of fired heaters, boilers and combustion chambers. The aim of this work is to provide reliable data measured by an innovative method for the case of swirling diffusion natural gas flames and consequently utilize the data for validation of Computational Fluid Dynamic simulations represented by commercial solver ANSYS Fluent® 12.1. The subject is a large-scale combustion chamber with a staged-gas industrial type low-NOx burner at two thermal duties, 745 kW and 1120 kW. Attention is paid to the evaluation of boundary conditions via additional measurement or simulation, such as wall emissivity and wall temperature. Several in-house software codes were created for computational support. Remarkable results were obtained for low firing rate where prediction reached accuracy up to 0.2 % in total extracted heat and better than 16 % in local wall heat flux in individual sections. However, for high firing rate the accuracy significantly decreases. Consequently close attention was paid to the confined swirling flow phenomena downstream of the swirl generator. There were identified several problematic points in the prediction capabilities of utilized computationally capable, industry-standard models.