Dissertação
{pt_PT=Computational Fluid Dynamics modelling of non-premixed Hydrogen Combustion in O2-H2O mixtures using ANSYS Fluent} {} EVALUATED
{pt=Este trabalho é composto pela modelação de chamas de difusão de hidrogénio e oxigénio diluído em vapor de água, com uma aplicação em microturbinas a gás. No caso de combustão sem pré-mistura hidrogénio-ar, podem ser observados níveis elevados de NOx devido à elevada temperatura da chama. Assim, o hidrogénio pode ser queimado com oxigénio sob diluição de vapor de água para erradicar as emissões de NOx. O presente estudo numérico baseia-se na modelação de queimadores de jacto de impacto em vez dos convencionais queimadores coaxiais. Nestes queimadores, dois jactos de oxigénio colidem com um jacto central de hidrogénio num ângulo agudo (i.e. 30⁰). O impacto desempenha um papel fundamental na mistura forçada de hidrogénio e oxigénio. Foram conduzidas simulações 3D aplicando a abordagem Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e utilizados vários modelos de combustão aplicáveis a chamas de difusão (ou seja, equilíbrio químico, modelo de flamelets, modelo de dissipação dos turbilhões (eddy-dissipation concept) e taxa de reacção finita/dissipação dos turbilhões) usando o código ANSYS Fluent. Verificou-se que o impacto faz com que a mistura gasosa se disperse na região da base da chama e consequentemente desenvolve-se uma frente de chama em forma de V estabilizada. Além disso, a estabilidade da chama foi estudada para diferentes velocidades de entrada do jacto. Verificou-se que o efeito de impacto torna a fixação da chama independente da velocidade do jacto. Foi observada a formação de chamas mais curtas, o que pode levar a desenhos compactos e mais curtos de câmaras de combustão., en=This work is comprised upon non-premixed flame modelling of oxy-hydrogen combustion under steam dilution with an application to combustors for micro gas turbines. In case of non-premixed hydrogen-air combustion, high NOx levels can be observed due to high flame temperature. Thus, O2 as a by-product from H2O electrolysis can be stored and used for green hydrogen combustion, leading to NOx free combustion. Moreover, steam can be used for dilution purposes instead of N2 to eradicate NOx emissions. The present numerical study is based upon modelling of impinged jet burner rather than the conventional co-flow burners. In this injection approach, two oxygen jets impinge on a central hydrogen jet at an acute angle (i.e. 30⁰). Impingement plays a key role in forced mixing of hydrogen and oxygen. This approach is expected to improve the flame holding as well as combustion efficiency. Unsteady and 3D simulations have been conducted applying Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach coupled with various combustion models applicable to non-premixed combustion (i.e. non-premixed chemical equilibrium, steady diffusion flamelet, eddy-dissipation concept and finite-rate/eddy-dissipation) using ANSYS Fluent code. It has been observed that the impingement causes gas mixture to disperse at the flame base region and consequently develops an interesting stabilized V-shaped flame front. Additionally, flammability has been studied at different inlet jet velocities. It has been noticed that the impinging effect makes flame holding independent of jet velocity. As a result, shorter flames can be observed at wide range of inlet velocities, which can lead to compact and shorter combustor designs.}
outubro 6, 2022, 14:0
Publicação
Obra sujeita a Direitos de Autor
Orientação
ORIENTADOR
Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)
Professor Catedrático