توربين هاي گاز در صنعت نفت و گاز از اهميت قابل ‌توجهي برخوردار هستند و جهت راه اندازي پمپ ها و كمپرسورهاي خطوط انتقال استفاده مي‌شوند. در دهه ‏هاي اخير استانداردهاي سخت گيرانه تري براي كنترل آلاينده‏هاي توربين‌هاي گاز وضع ‌شده است. هدف از پايان‏نامه حاضر، بررسي مشخصه هاي پاشش سوخت مايع در جريان واكنشي درون محفظه احتراق توربين گاز، به‌منظور كاهش آلاينده NOx مي باشد. در مطالعه محفظه احتراق سوخت مايع توربين گاز، مفاهيم پيچيده اي اعم از جريان واكنشي، پاشش، جريان آشفته، جريان چند فاز، انتقال حرارت هاي جابجايي و تشعشع به همراه برهم كنش هر يك با ديگري وجود دارند. با توجه به تعدد پديده هاي حاكم و مدل سازي هم‌زمان آن‌ها جهت در نظر گرفتن برهمكنش بين اين پديده ها، يافتن ابزار عددي متناسب با فيزيك مسئله و تجهيزات سخت افزاري موجود بسيار حائز اهميت مي‏باشد. بدين منظور براي مدل سازي فيزيك جريان آشفته، مدل‏هاي Realizable k-ε، LES و DES استفاده شده است. جهت مدل سازي برهم كنش جريان واكنشي و آشفته نيز مدل هاي PDF و Flamelet مورد استفاده قرار گرفته است. براي مطالعه پاشش سوخت مايع و شناسايي پديده هايي نظير توزيع، شكست و تبخير قطرات از مدل اولر- لاگرانژي استفاده شده است. مدل سازي تشعشع با استفاده از مدل جهات مجزا صورت گرفته است و مدل سازي NOx در پايان حل عددي جريان و احتراق، به‌صورت مجزا و توسط مدل βPDF انجام شده است. در ابتدا جهت بررسي نحوه شكل گيري جريان، اقدام به مدل‌سازي جريان واكنشي با رهيافت‏هاي آشفتگي مختلف و مقايسه نتايج آن‏ها با داده هاي آزمايشگاهي شده است. طي اين مقايسه نشان داده شده است كه رهيافت آشفتگي LES در مقايسه با رهيافت RANS، از نظر كميت و كيفيت نتايج برتري دارد، ولي به دليل اختلاف هزينه محاسباتي سرسام‏آور ميان اين دو رهيافت كه بيش از دو هزار ساعت مي‏باشد، استفاده از رهيافت LES براي مطالعه‏ي پارامتر‎هاي متعدد در مدل‏سازي‏هاي احتراقي ميسر نمي‏باشد. سپس نحوه مدل‏سازي احتراق همراه با رهيافت آشفتگي RANS از دو منظر، ابتدا فليملت و سپس مكانيزم شيميايي مورد استفاده در واكنش‏هاي احتراقي مورد بررسي قرار گرفته است. به‏ اين ترتيب اثر نحوه‏ي ساخت فليملت و نوع مكانيزم شيميايي بر مشخصه ‏هاي جريان پاششي واكنشي نشان داده شده است. در ادامه با استفاده از رهيافت RANS و به ‏منظور بررسي تأثير پاشش بر ميزان آلاينده NOx، پاشش سوخت مايع درون محفظه احتراق مدل توربين گاز با سرعت‏ها و زاويه‏هاي متفاوت مدل‏سازي شده است، به‌طوري‏كه اثر هر يك از اين پارامتر‏ها بر دما و قطر قطره‏ها و ميزان آلاينده NOx مشاهده گرديده است.

1396/02/16

1/1/1900 12:00:00 AM

Gas turbines have significant importance in the oil an​d gas industry an​d used to run the pumps an​d compressors in the pipeline. In the last decade more strict standards in relation to pollutants have been established. This thesis has been developed to determine the characteristics of the liquid fuel injection during the reactive flow in the combustion chamber of industrial gas turbine, in order to reduce the NOx emissions. There are complex concepts such as a reactive flow, spray, turbulent flow, multiphase flow an​d heat transfer by convection an​d radiation, as well as each of its interaction with other in the study of the liquid fueled combustion chamber. Due to the multiplicity phenomena governing an​d simultaneous modeling of the interactions between these phenomena, finding numerical tool according to the physics problem an​d available hardware equipment is very important. In order to model some of these phenomena, two models have been investigated. For modeling of turbulent flow, Realizable k-ε an​d LES models an​d the combination between them (DES) have been used. For the interaction between turbulent flow an​d reactive modeling, PDF an​d Flamelet model have been used. For the study liquid fuel injection an​d identify phenomena such as droplet distribution, primary an​d secondary breakup of droplets, droplet evaporation an​d the effect of speed an​d angle of liquid fuel injection, Euler- Lagrangian model have been used. Modeling the radiation has been done by using discrete ordinates (DO) radiation model an​d NOx modeling has been done separately by βPDF models in the end of numerical simulation of flow an​d combustion. At first, velocity distribution an​d flow formation has been investigated in the reactive flow with airblast injector an​d different turbulence approaches an​d the results has been compared with experimental data. This comparison is shown that the LES turbulence approach against the RANS turbulence approach is preferable in terms of quantity (Variety reports) an​d quality (accuracy) of results. But because of the extremely high computational cost difference between the two approaches that is more than two thousand hours, LES approach for the study of numerous parameters in combustion modeling is impossible. Combustion modeling also has been investigated from two perspectives, First flamelet an​d then chemical mechanisms that used in combustion flow, as the parameters of the study has been eva​luated. In this way, the effect of flamelet an​d chemical mechanism types that is used for simulations, on the reactive flow characteristics such as velocity, temperature, turbulence, mixture fraction, scalar dissipation rate an​d the concentrations of species especially the pollutant concentrations has been shown.Then, by using RANS approach an​d to eva​luate the effects of injection on NOx emissions, liquid fuel injection into the model combustor of the gas turbine with different velocities an​d angles have been modeled, so that the effects of each of these parameters on the temperature an​d droplet diameter an​d NOx emissions have been observed.