Towards an improved prediction of CO and NOx emissions from gas turbines by LES
The combustion of hydrocarbon fuels leads to the emission of toxic carbon monoxide (CO) and nitric oxide (NOx) pollutants. In order to reduce these emissions, increasingly restrictive emissions regulations and environmental protection measures have been established. For the development of low-emission gas turbine combustors, the fundamental mechanisms and sources affecting the
formation of CO and NOx pollutants need to be understood. Due to the limited optical access in gas turbine engines for experimental investigations, numerical methods are a promising approach. In particular, large-eddy simulations (LES) fulfill the necessary requirements to investigate the formation of pollutants in technical combustion systems. The aim of this work is to improve the prediction of CO and NOx emissions from gas turbines by LES. For this purpose, the phenomena and effects that are relevant for the accurate prediction of CO and NOx formation are investigated. Different modeling approaches are evaluated and improved with respect to the associated requirements. Furthermore, the suitability of these numerical methods is assessed in terms of an accurate and numerically efficient prediction. In the first study of this work, the numerical LES framework is developed. A combustion model based on tabulated chemistry is extended for the
prediction of CO and NOx emissions. The turbulence-chemistry interaction is modeled using the artificial flame thickening approach and a model for the unresolved flame wrinkling is used. The applied models and the simulation method are validated in a LES of an atmospheric turbulent premixed flame. Simulation results are analyzed and compared with the experimental data, with emphasis on CO and NOx pollutant concentrations. Subsequently, the modeling approach is
evaluated by investigating a premixed high pressure jet flame. Heat losses in this configuration are taken into account requiring an additional transport equation for enthalpy and an extension of the chemistry tables. In this second study, a finite rate chemistry (FRC) combustion model is developed. A custom built reaction mechanism has been developed for the description of chemical kinetics suitable for the investigated conditions. Large-eddy simulations are performed with both combustion models. The simulation results are comprehensively compared with the experiment and special focus of the analysis is given to the pollutant formation and the stabilization of the flame. In the third study, a modeling approach is developed to efficiently predict finite rate chemistry effects in the LES of lifted high pressure jet flames. For this purpose, a new optimization criterion for reaction mechanism development is introduced and applied. To validate the developed reaction mechanism, 0D and 1D simulations are performed, followed by the application
of LES. The simulation results are compared to those of a much more computationally intensive reaction mechanism. To gain a deeper understanding of the flame stabilization mechanism, further detailed analyzes follow. In the final study, the FRC combustion model is applied to the LES of a full-scale gas turbine prototype combustor operated at three different staged part load operating conditions at high pressure. The developed modeling approach is investigated in
terms of its ability to accurately predict CO pollutants in a complex technical combustion system in comparison to the experimental data. Sources that eventually result in incomplete carbon monoxide oxidation at different operating points are identified. It is shown that the developed LES methodology is capable of accurately describing complex phenomena and effects, which are necessary for improved prediction of pollutants in gas turbines.
formation of CO and NOx pollutants need to be understood. Due to the limited optical access in gas turbine engines for experimental investigations, numerical methods are a promising approach. In particular, large-eddy simulations (LES) fulfill the necessary requirements to investigate the formation of pollutants in technical combustion systems. The aim of this work is to improve the prediction of CO and NOx emissions from gas turbines by LES. For this purpose, the phenomena and effects that are relevant for the accurate prediction of CO and NOx formation are investigated. Different modeling approaches are evaluated and improved with respect to the associated requirements. Furthermore, the suitability of these numerical methods is assessed in terms of an accurate and numerically efficient prediction. In the first study of this work, the numerical LES framework is developed. A combustion model based on tabulated chemistry is extended for the
prediction of CO and NOx emissions. The turbulence-chemistry interaction is modeled using the artificial flame thickening approach and a model for the unresolved flame wrinkling is used. The applied models and the simulation method are validated in a LES of an atmospheric turbulent premixed flame. Simulation results are analyzed and compared with the experimental data, with emphasis on CO and NOx pollutant concentrations. Subsequently, the modeling approach is
evaluated by investigating a premixed high pressure jet flame. Heat losses in this configuration are taken into account requiring an additional transport equation for enthalpy and an extension of the chemistry tables. In this second study, a finite rate chemistry (FRC) combustion model is developed. A custom built reaction mechanism has been developed for the description of chemical kinetics suitable for the investigated conditions. Large-eddy simulations are performed with both combustion models. The simulation results are comprehensively compared with the experiment and special focus of the analysis is given to the pollutant formation and the stabilization of the flame. In the third study, a modeling approach is developed to efficiently predict finite rate chemistry effects in the LES of lifted high pressure jet flames. For this purpose, a new optimization criterion for reaction mechanism development is introduced and applied. To validate the developed reaction mechanism, 0D and 1D simulations are performed, followed by the application
of LES. The simulation results are compared to those of a much more computationally intensive reaction mechanism. To gain a deeper understanding of the flame stabilization mechanism, further detailed analyzes follow. In the final study, the FRC combustion model is applied to the LES of a full-scale gas turbine prototype combustor operated at three different staged part load operating conditions at high pressure. The developed modeling approach is investigated in
terms of its ability to accurately predict CO pollutants in a complex technical combustion system in comparison to the experimental data. Sources that eventually result in incomplete carbon monoxide oxidation at different operating points are identified. It is shown that the developed LES methodology is capable of accurately describing complex phenomena and effects, which are necessary for improved prediction of pollutants in gas turbines.
Die Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe führt zu der Freisetzung von giftigen Kohlenmonoxid (CO)- und Stickoxid (NOx)-Emissionen. Für die Reduktion dieser Schadstoffe wurden in den letzten Jahren immer strengere Emissionsvorschriften und Umweltbestimmungen eingeführt. Damit diese in der Entwicklung von schadstoffärmeren Gasturbinen-Brennkammern eingehalten werden können, ist das Verständnis für die grundlegenden Mechanismen und Ursachen, die für die Entstehung von CO und NOx verantwortlich sind, zwingend notwendig. Aufgrund des begrenzten optischen Zugangs für experimentelle Untersuchungen, stellen numerische Methoden dazu einen vielversprechenden Ansatz dar. Insbesondere Grobstruktursimulationen (LES) erfüllen die notwendigen Anforderungen, um die Schadstoffbildung in technischen Verbrennungssystemen zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Vorhersagegenauigkeit von CO- und
NOx-Emissionen in Gasturbinen mittels LES zu verbessern. Dazu werden zum einen Phänomene und Effekte untersucht, die für die akkurate Beschreibung der CO- und NOx-Bildung relevant sind und zum anderen unterschiedliche Modellierungsansätze hinsichtlich der damit verbundenen Anforderungen und der Eignung einer präzisen und numerisch effizienten Vorhersage bewertet und verbessert. In der ersten Studie dieser Arbeit wird das numerische LES-Grundgerüst entwickelt. Ein Verbrennungsmodell, das auf tabellierter Chemie basiert, wird mit einem Modell für die Vorhersage von CO- und NOx-Emissionen erweitert. Die Beschreibung der Turbulenz-Chemie-Interaktion erfolgt durch den Ansatz der künstlichen Flammenaufdickung und einem Modell für die unaufgelöste Flammenfaltung. Zur Validierung der angewendeten Modelle und der Simulationsmethode, dient die LES einer turbulenten atmosphärischen Vormischflamme. Die Analyse der Ergebnisse erfolgt durch den Vergleich mit den experimentellen Daten und besonderem Fokus auf der Vorhersage von CO und NOx. Im nächsten Schritt erfolgt die Bewertung des Modellierungsansatzes anhand der Untersuchung einer vorgemischten Strahlflamme unter Hochdruckbedingungen. Für die Modellierung der vorherrschenden Wärmeverluste in dieser Konfiguration wird die Tabellierung um nicht-adiabate Flamelets erweitert und die Enthalpie wird als zusätzliche Kontrollgröße für den Tabellenaufruf verwendet. In dieser zweiten Studie wird ein weiteres Verbrennungsmodell, das direkte Chemie verwendet, entwickelt und implementiert. Für die Beschreibung der Verbrennungschemie in dieser Konfiguration wird für den direkten Chemieansatz ein eigens entwickelter Reaktionsmechanismus verwendet. Die Simulationsergebnisse, unter Verwendung beider Verbrennungsmodelle, werden im Vergleich zu den experimentellen Daten im Hinblick auf die Flammenstabilisierung und der Schadstoffbildung umfassend untersucht. In der dritten Studie wird ein Modellierungsansatz für die effiziente LES mit direkter Chemie für die Vorhersage von abgehobenen Hochdruckstrahlflammen entwickelt. Dazu wird ein neues Optimierungskriterium für die Erstellung von Reaktionsmechanismen eingeführt und angewendet. Nach der Validierung des erstellten Reaktionsmechanismus mittels 0D und 1D Simulationen, folgt die Anwendung in der LES. Die Simulationsergebnisse werden mit denen eines
deutlich rechenintensiveren Reaktionsmechanismus verglichen und weitere detaillierte Analysen des Flammenstabilisierungsmechanismus werden durchgeführt. In der finalen Studie wird das Verbrennungsmodell mit direkter Chemie für die LES von drei gestuften Teillast-Betriebspunkten einer vollmaßstäblichen (”full-scale”) Gasturbinen-Prototypen-Brennkammer unter Hochdruck angewendet. Die Vorhersagegenauigkeit des entwickelten Modellierungsansatzes wird hinsichtlich der Fähigkeit untersucht CO-Schadstoffe in einem komplexen technischen Verbrennungssystem im Vergleich zu den experimentellen Daten zu bestimmen. Ursachen, die für den unvollständigen
CO-Ausbrand in den unterschiedlichen Betriebspunkten verantwortlich sind, werden identifiziert. Die entwickelte LES-Methodik ist in der Lage, komplexe Phänomene und Effekte akkurat zu beschreiben, die für die verbesserte Vorhersage von Schadstoffen in Gasturbinen notwendig sind.
NOx-Emissionen in Gasturbinen mittels LES zu verbessern. Dazu werden zum einen Phänomene und Effekte untersucht, die für die akkurate Beschreibung der CO- und NOx-Bildung relevant sind und zum anderen unterschiedliche Modellierungsansätze hinsichtlich der damit verbundenen Anforderungen und der Eignung einer präzisen und numerisch effizienten Vorhersage bewertet und verbessert. In der ersten Studie dieser Arbeit wird das numerische LES-Grundgerüst entwickelt. Ein Verbrennungsmodell, das auf tabellierter Chemie basiert, wird mit einem Modell für die Vorhersage von CO- und NOx-Emissionen erweitert. Die Beschreibung der Turbulenz-Chemie-Interaktion erfolgt durch den Ansatz der künstlichen Flammenaufdickung und einem Modell für die unaufgelöste Flammenfaltung. Zur Validierung der angewendeten Modelle und der Simulationsmethode, dient die LES einer turbulenten atmosphärischen Vormischflamme. Die Analyse der Ergebnisse erfolgt durch den Vergleich mit den experimentellen Daten und besonderem Fokus auf der Vorhersage von CO und NOx. Im nächsten Schritt erfolgt die Bewertung des Modellierungsansatzes anhand der Untersuchung einer vorgemischten Strahlflamme unter Hochdruckbedingungen. Für die Modellierung der vorherrschenden Wärmeverluste in dieser Konfiguration wird die Tabellierung um nicht-adiabate Flamelets erweitert und die Enthalpie wird als zusätzliche Kontrollgröße für den Tabellenaufruf verwendet. In dieser zweiten Studie wird ein weiteres Verbrennungsmodell, das direkte Chemie verwendet, entwickelt und implementiert. Für die Beschreibung der Verbrennungschemie in dieser Konfiguration wird für den direkten Chemieansatz ein eigens entwickelter Reaktionsmechanismus verwendet. Die Simulationsergebnisse, unter Verwendung beider Verbrennungsmodelle, werden im Vergleich zu den experimentellen Daten im Hinblick auf die Flammenstabilisierung und der Schadstoffbildung umfassend untersucht. In der dritten Studie wird ein Modellierungsansatz für die effiziente LES mit direkter Chemie für die Vorhersage von abgehobenen Hochdruckstrahlflammen entwickelt. Dazu wird ein neues Optimierungskriterium für die Erstellung von Reaktionsmechanismen eingeführt und angewendet. Nach der Validierung des erstellten Reaktionsmechanismus mittels 0D und 1D Simulationen, folgt die Anwendung in der LES. Die Simulationsergebnisse werden mit denen eines
deutlich rechenintensiveren Reaktionsmechanismus verglichen und weitere detaillierte Analysen des Flammenstabilisierungsmechanismus werden durchgeführt. In der finalen Studie wird das Verbrennungsmodell mit direkter Chemie für die LES von drei gestuften Teillast-Betriebspunkten einer vollmaßstäblichen (”full-scale”) Gasturbinen-Prototypen-Brennkammer unter Hochdruck angewendet. Die Vorhersagegenauigkeit des entwickelten Modellierungsansatzes wird hinsichtlich der Fähigkeit untersucht CO-Schadstoffe in einem komplexen technischen Verbrennungssystem im Vergleich zu den experimentellen Daten zu bestimmen. Ursachen, die für den unvollständigen
CO-Ausbrand in den unterschiedlichen Betriebspunkten verantwortlich sind, werden identifiziert. Die entwickelte LES-Methodik ist in der Lage, komplexe Phänomene und Effekte akkurat zu beschreiben, die für die verbesserte Vorhersage von Schadstoffen in Gasturbinen notwendig sind.