مدل سازی محفظه احتراق توربین گاز با استفاده از روش شبکه

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

هدف از این مقاله، به­کارگیری روش شبکه برای تحلیل سریع محفظه احتراق توربین‌های گاز می‌باشد. این روش یک محفظه احتراق به­وسیله‌ گره‌ها و المان‌های متصل به آن‌ها، به شبکه‌ای از جریان‌های مستقل از هم تقسیم می‌شود. معادلات اساسی که در روش شبکه باید ارضا شوند معادلات بقای جرم و انرژی برای هر گره و رابطه‌ افت فشار- دبی برای هر المان می‌باشد.این معادلات یک دستگاه معادلات متشکل از دبی جرمی و افت فشارها را تشکیل می‌دهند که با حل آن در گره‌ها مقادیر جدید برای فشار، دبی و چگالی به­دست می‌آید. این روند تا رسیدن به شرط همگرایی تکرار می‌شود.برای مدل‌سازی جریان از روابط متداول برای لوله‌ها و اریفیس‌ها استفاده شده است. برای مدل‌سازی اثر احتراق نیز، از احتراق تعادلی در نواحی احتراق اولیه و ثانویه استفاده شده است. اثر ترقیق جریان نیز با ورود هوا به جریان محصولات ناحیه احتراق ثانویه منظور شده است. دمای لاینر نیز با در نظر گرفتن آثار انتقال حرارت جابجایی و تشعشع محاسبه شده است. با این روش در یک محفظه احتراق قوطی،  ابتدا جریان سرد تحلیل شده و طی آن دبی جرمی و افت‌فشارها در المان‌ها به­دست آمده است. سپس با در نظر گرفتن احتراق کروسین، توزیع دبی جرمی، فشار، دما، و اجزا محصولات احتراق به­دست آمده است. نتایج به­دست آمده با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است و همسویی بسیار خوبی نشان داده شده است. کیفیت نتایج و روند حل مسئله، نشان می‌دهند که روش شبکه قادر است تحلیل مناسبی را در زمان بسیار کمی به طراحان محفظه ارائه کند.

کلیدواژه‌ها


  1. Kruse, S., Kerschgens, B., Berger, L., Varea, E. and Pitsch, H. “Experimental and Numerical Study of MILD Combustion for Gas Turbine Applications”, Applied Energy, Vol. 148. pp. 456-465, 2015.##
  2. Tyliszczak, A., Boguslawski, A. and Nowak, D. “Numerical Simulations of Combustion Process in a Gas Turbine with a Single and Multi-Point Fuel Injection System”, Applied Energy, Vol. 174. pp. 153-165, 2016.##
  3. Mazzei, L., Andreini, A., Facchini, B. and Turrini, F. “Impact of Swirl Flow on Combustor Liner Heat Transfer and Cooling: A Numerical Investigation with Hybrid Reynolds-Averaged Navier–Stokes Large Eddy Simulation Models”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 138, No. 5. pp. 051504, 2016.##
  4. McGuirk, J.J. and Spencer, A. “Coupled and Uncoupled CFD Prediction of the Characteristics of Jets from Combustor Air Admission Ports”, Proc ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea, and Air, American Society of Mechanical Engineers, Munich, Germany, 2000.##
  5. Samuel, B. “A Jet Engine Combustor Design Analysis Suitable for Electronic Computers”, ASME Paper, Vol. 1, No. 61, pp. 305-310, 1961.##
  6. Gouws, J., Morris, R. and Visser, J. “Modelling of a Gas Turbine Combustor Using a Network Solver”, South African journal of science, Vol. 102, No.11/12. pp. 533-536, 2006.##
  7. Mongia, H.C., Reynolds, R.S. and Srinivasan, R. “Multidimensional Gas Turbine Combustion Modeling Applications and Limitations”, AIAA journal, Vol. 24, No.6, pp. 890-904, 1986.##
  8. Stuttaford, P.J. “Preliminary Gas Turbine Combustor Design Using a Network Approach”, PhD Dissertation, Cranfield University, Faculty of Engineering and Applied Science 1997.##
  9. Gouws, J.J. “Combining a One-Dimensional Empirical and Network Solver with Computational Fluid Dynamics to Investigate Possible Modifications to a Commercial Gas turbine Combustor”, PhD Dissertation, -University of Pretoria, Faculty of Mechanical Engineering 2008.##
  10. Stuttaford, P.J. and Rubini, P.A. “Assessment of a Radiative Heat Transfer Model for Gas Turbine Combustor Preliminary Design”, Journal of propulsion and power, Vol. 14, No.1. pp. 66-73, 1998.##
  11. Stuttaford, P.J. and Rubini, P.A. “Preliminary Gas Turbine Combustor Design Using a Network Approach”, in ASME 1996 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, American Society of Mechanical Engineers, 1996.##
  12. Sharma, N., “Heat Transfer Analysis for Preliminary Design of Gas Turbine Combustion Chamber Liners”, PhD Dissertation, University of Toronto, Faculty of Aerospace Science and Engineering 2015.##
  13. Pretorius, J.J. “a Network Approach for the Prediction of Flow and Flow Splits within a Gas Turbine Combustor”, PhD Dissertation, University of Pretoria, Faculty of Mechanical Engineering, 2006.##
  14. Varol, G., Sarıkaya, G., Tunçer, O. and Öztarlık, G. “Emissions Prediction of a Reverse Flow Combustor Using Network Models”, ed, ed., Vol. Springer, Nos. 167-175, 2016.##
  15. Zhang, X., Toal, D.J., Keane, A.J., Witham, F., Gregory, J., Ravikanti, M., Aurifeille, E., Stow, S., Rogers, M. and Zedda, M. “Isothermal Combustor Prediffuser and Fuel Injector Feed Arm Design Optimization Using the Prometheus Design System”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 138, No.6. pp. 061504, 2016.##
  16. Wood, D.J. and Rayes, A. “Reliability of Algorithms for Pipe Network Analysis”, Journal of the Hydraulics Division, Vol. 107, No.10. pp. 1145-1161, 1981.##
  17. Greyvenstein, G. and Laurie, D. “A Segregated CFD Approach to Pipe Network Analysis”, Int. Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 37, No.21. pp. 3685-3705, 1994.##
  18. Patankar, S. “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, CRC press, Florida, United States, 1980.
  19. Stewart, J.R., “Pipe Fractional Flow through Branched Conduits”, PhD Dissertation, University of Texas at Austin, Faculty of Petroleum and Geosystems Engineering 2015.##
  20. White, F.M. “Fluid Mechanics, WCB”, ed: McGraw-Hill, Boston, United States, 1999.##
  21. Fang, X., Xu, Y. and Zhou, Z. “New Correlations of Single-Phase Friction Factor for Turbulent Pipe Flow and Evaluation of Existing Single-Phase Friction Factor Correlations”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, No.3. pp. 897-902, 2011.##
  22. Gordon, S. and McBride, B.J. “Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications”, National Aeronautics and Space Administration, Ohio, United States, 1996.##
  23. McBride, B.J. and Gordon, S. “Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications II. Users Manual and Program Description. 2; Users Manual and Program Description”, National Aeronautics and Space Administration, Ohio, United States,1996.##
  24. Lefebvre, A.H. and Ballal, D.R. “Gas Turbine Combustion”, CRC Press, Florida, United States, 2010.##
  25. McBride, B.J., Zehe, M.J. and Gordon, S. “NASA Glenn Coefficients for Calculating Thermodynamic Properties of Individual Species”, Aeronautics and Space Administration, Ohio, United States, 2002.##
  26. A.George and J.W.Liu. “Computer Solution of Spare Linear Systems”, Oak Ridge National Laboratory, 1994.##
  27. Rashidinia, J. “Numerical Analysis”, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran 2005. (In Persian)##
  28. J.McBride, B., Gordon, S. and Reno, M.A. “Coefficients for Calculating Thermodynamic and Transport Properties of Individual Species”, ed. NASA, NASA, 1993.##
  29. Morris, R.M. “An Experimental and Numerical Investigation of A Gas Turbine Research Combustor”, PhD Dissertation, University of Pretoria, Faculty of Mechanical Engineering, 2007.##