30053

بهينه‌سازي و تحليل اثر استفاده از سوخت‌هاي جايگزين بر روي طراحي و عملكرد محفظه احتراق مدل توربين گاز

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1399

1402/6/27

دكتر فرزاد بازديدي طهراني

مهندسي مكانيك

امروزه با توجه به نياز روز افزون صنايع به موتورهاي توربينهاي گاز، تحقيق بر روي بهبود عملكرد موتورهاي توربيني، بازده احتراق و كاهش آلاينده‌هاي توليدي بر روي محفظه احتراق از جمله نوع سوخت استفاده شده درون موتور توربين گاز مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران قرار گرفته است. از اين رو، استفاده از سوخت‌هاي جايگزين، به عنوان راهكاري مناسب جهت نيل به اين مقصود مطرح مي-شود. در اين پژوهش، به تاثير استفاده از سوخت جايگزين بر ميزان كسر مولي ميانگين و آلاينده‌هاي خروجي CO_2 و CO پرداخته مي¬شود. سوخت‌هاي جايگزين استفاده شده شامل تركيب سوخت‌هاي JSPK و CSPK با نسبت وزني 50% با سوخت پايه Jet-A مي‌باشد. به منظور شبيه‌سازي عددي از يك محفظه احتراق مدل تحت شبكه‌بندي منظم بهره گرفته مي‌شود. از ديدگاه اويلر-لاگرانژي براي مدل‌سازي جريان دو فاز سوخت و هوا، از مدل Realizable k-ɛ براي مدل‌‌سازي جريان آشفته، مدل انتقال حرارت تشعشعي روش جهات مجزا براي مدل‌سازي انتقال حرارت تشعشعي و مدل احتراقي فليملت پايا براي مدل‌سازي احتراق استفاده شده است. جهت اعتبارسنجي داده¬هاي عددي بدست آمده، نتايج با داده‌هاي تجربي موجود مقايسه مي¬شوند. سپس تركيب سوخت Jet-A با نسبت وزني 50% با سوخت‌هاي جايگزين JSPK و CSPK مورد شبيه‌سازي واقع مي‌شوند. شيبه‌سازي سوخت‌هاي تركيبي 50% Jet-A,50% JSPKK و 50% Jet-A,50% CSPK منجر به انحراف ناچيز مقادير كسر مخلوط ميانگين و آلاينده‌هاي CO و CO_2 نسبت به حالت به كارگيري سوخت پايه Jet-A مي‌شود. از سوي ديگر، به منظور بهينه سازي عملكرد، از الگوريتم بهينه‌سازي ازدحام ذرات به دليل چهارچوب ساده و سرعت همگرايي مناسب بهره گرفته شده است. جهت بهينه‌سازي، سه پارامتر هدف شامل دماي هواي ورودي، نسبت هواي ورودي و همچنين نسبت وزني تركيب سوخت جايگزين با سوخت پايه مورد بررسي قرار مي¬گيرند. ابتدا با استفاده از روش طراحي آزمايش‌، به تعيين تعداد شبيه‌سازي لازم جهت بهينه‌سازي پرداخته مي¬شود. سپس با استفاده از شبكه عصبي، تابع تناسب با داده‌هاي به دست آمده را تخمين زده و اين تابع در الگوريتم ازدحام ذرات مورد استفاده قرار مي¬گيرد. با استفاده از الگوريتم ازدحام ذرات نسبت تركيب سوخت با نسبت وزني 69.65% Jet-A,30.55% JSPK با تغيير نسبت هوا به سوخت به ميزان 1.024 مقدار پايه، تحت دماي هواي ورودي K 367.68، كمترين ميزان كسر مخلوط ميانگين و آلاينده‌‌‌هاي CO_2 و CO به‌دست مي‌آيد. در نهايت نقطه بهينه بدست آمده، دوباره شبيه سازي شده تا صحت نقطه بهينه تعيين شده، مورد سنجش قرار گيرد. با جايگزيني شرايط بهينه بدست آمده با مقادير متناظر در شرايط آزمايش جونز و توبر، منجر به كاهش مقدار كسر مخلوط ميانگين به ميزان 48% و كاهش مقدار آلاينده‌هاي CO_2 و CO به ترتيب به ميزان 6.6% و 50.6% مي‌شود.

1402/08/10

Optimization and Analysis of Effect of Using Alternative Fuels on Design and Performance of a Model Gas Turbine Combustion Chamber

9/17/2024 12:00:00 AM

Nowadays, due to the increasing need of industries for gas turbine engines, research on improving the performance of turbine engines, combustion efficiency and reducing pollutants production and other characteristics affecting the combustion chamber, including the type of fuel used in the gas turbine engine, is of interest to researchers and industrialists. Therefore, the researchers propose alternative fuels as a suitable solution to achieve this goal. This study discusses the effect of using alternative fuel on the emission of a model combustion chamber. Alternative fuels used in this research are the mixture of 50%jet-A,50% JSPK and 50% Jet-A, 50% CSPK. A structured grid is used to simulate the combustion chamber and to solve the governing equations numerically. Euler-Lagrangian method is employed to model two-phase flow. The Realizable k-ɛ model for turbulence, discrete ordinates method for radiative heat transfer, and the steady flamelet model for combustion are used. The results are compared with existing experimental data to validate the numerical simulation. Resaults show similar trends with slight deviation of mean mixture fraction, CO_2 and CO mole fraction from using just Jet-A as a base fuel. On the other hand, the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is employed to optimize the emissions due to its simple framework and suitable convergence rate. For optimization, three objective parameters are investigated, i.e., inlet air temperature, inlet air-to-fuel ratio, and also the weight ratio of the alternative fuel mixing with the Jet-A. First, the design of experiment (DOE) method determines the number of simulations needed for optimization. Then, with the neural network, the fitness function is estimated, and this function is utilized in the PSO algorithm. Lowest mean mixture fraction, CO_2 and CO mole fractions are obtained using following conditions: fuel combination with the weight ratio of Jet-A, 69.65%-JSPK, 30.55%, air-fuel ratio of 1.024 times the baseline AFR under the inlet temperature of 367.68 K. Finally, the obtained optimal point is simulated again to validate the determined optimal point. By replacing the optimal conditions obtained with the corresponding values in the test using base fuel, it leads to a reduction in the mean mixture fraction by 48% and a reduction of CO_2 and CO mole fractions by 6.6% and 50.6%, respectively.

محفظه احتراق مدل توربين گاز , سوخت‌هاي جايگزين , كاهش آلاينده‌ها , الگوريتم بهينه‌سازي ازدحام ذرات , شبكه عصبي مصنوعي

Gas turbine model combustion chamber , alternative fuels , JSPK , CSPK , emission reduction , particle swarm optimization , artificial neural network

Raoufeh Haghshenas

Dr. Farzad Bazdidi-Tehrani