Seminar III draft version1

1D CFD simulation of combustion in porous media
( Code development )
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,KingMongkut’s
Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 2
Presentation topics
 บทนำ
 วัตถุประสงค์ และ ผลที่คำดว่ำจะได้รับ
 ฟิสิกส์ ต่ำงๆโดยรวมภำยในโปรแกรมมที่พัฒนำ
 สมกำรควบคุม และ flow chart โปรแกรม
 เงื่อนไขกรณีที่ศึกษำ
 ผลกำรทดลอง และ วิจำรณ์

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang
1. Presentation topics
 Introduction ( porous media combustion & Gasification)
 CODE development ( Big Picture )
 Numerical modeling
 Program flow chart detail
 Boundary condition & Assigned material property
 Result & Discussion
3

Introduction
• ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม
• มีวัตถุดิบที่สำมำรถใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับระบบ Gasification ได้กระจำยอยู่ทั่วไป
• มีศักยภำพเรื่องเชื้อเพลิง biomass สูง
• Gasification มีศักยภำพในกำรพัฒนำให้ได้ประสิทธิภำพสูงกว่ำ Direct combustion
• ข้อเสียของ Gasification คือระบบมีควำมอ่อนไหวต่อสิ่งแวดล้อมสูง และควบคุมได้ยำก โดยเฉพำะในสเกลที่ใหญ่ขึ้น
• กำรลงทุนระบบสูง โดยเฉพำะเมื่อต้องมีระบบ Tar clean หรือ Tar crack

Introduction ( continue )
Design & Study
method
Modeling
Experiment
Fundamental
Finite kinetic
Equilibrium
Application
CFD
1D
Multi (2D,3D)

Introduction ( continue )
1D
• พฤติกรรมแก๊สซิฟิเคชั่นเป็นแบบ 1D
• มีกำรไหลตำมแนวแกน
• ไม่มีกำรเปลี่ยนแปลงค่ำคุณสมบัติตำมแนวรัศมี
• เพิ่มควำมสำมำรถในกำรวิเครำะห์ผลจำกกำรทดลอง
• เพิ่มศักยภำพในกำรพัฒนำระบบแก๊สซิฟิเคชั่น
CFD commercial code
• สำมำรถพัฒนำต่อยอดเพื่อตอบสนองกับปัญหำเฉพำะแบบได้
• เพิ่มควำมสำมำรถในกำรตระหนักรู้ในควำมเข้ำใจพื้นฐำนทำงฟิสิกส์
• ประหยัดค่ำใช้จ่ำยเรื่องลิขสิทธิ์
CFD in-house development code

วัตถุประสงค์ และ ผลที่คาดว่าจะได้รับ
วัตถุประสงค์
เพื่อสร้ำงโมเดลที่ช่วยในกำรศึกษำพฤติกรรมของเตำแก๊สซิฟิเคชั่นที่มีผลต่อปัจจัยต่ำงๆดังนี้
• อิทธิพลของส่วนประกอบเชื้อเพลิง
• อิทธิพลของส่วนประกอบอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• อิทธิพลของปริมำณอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• อิทธิพลของอุณหภูมิอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• อิทธิพลของกำรสูญเสียควำมร้อนของเตำแก๊สซิฟิเคชั่น
ผลที่คาดว่าจะได้รับ
เพื่อให้ได้โมเดลที่สำมำรถทำนำยพฤติกรรมของปัจจัยต่ำงๆที่มีผลต่อเตำแก๊สซิฟิเคชั่นได้
• สำมำรถที่จะทำนำยอิทธิพลของส่วนประกอบเชื้อเพลิง
• สำมำรถที่จะทำนำยอิทธิพลของส่วนประกอบอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• สำมำรถที่จะทำนำยอิทธิพลของปริมำณอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• สำมำรถที่จะทำนำยอิทธิพลของอุณหภูมิอำกำศ หรือ ไอน้ำ
• อิทธิพลของกำรสูญเสียควำมร้อนของเตำแก๊สซิฟิเคชั่น

3. Code multi-physics consideration
Development flow : individual Physical sub-routine
Combustion
Solid conduction
Solid Radiation
Pyrolysis model
Fluid dynamics algorithm & mesh generation ( 2D/3D modeling )
8
Heat transfer between
solid and fluid phase

5. Numerical modeling
5.1 Grid generation (1D-staggered grid)
5.2 Conservation Equation
• Mass
• Fuel species
• Energy in fluid phase
• Energy in Solid phase
5.3 Source term modeling
• Combustion heat release
• Fuel consumption
• Fluid-Solid thermal in-equilibrium
5.4 Calorific equation of state
• Ideal gas assumption
• Arrhenius rate
5.5 Numerical scheme (convection face property approximation)
5.6 Boundary condition
9
X - direction

5.1 Grid generation ( 1D-staggered grid)
10
5.2 Conservation Equation
100,000 control volumes
0.1 m
X-start X(N+1)

5.2 Conservation equation for steady state (General form)
o Energy conservation ( Gas phase )
o Energy conservation ( Solid porous phase )
Convection Diffusion (conduction) Combustion source term Thermal in-equilibrium source
11

• Conservation equation for steady state ( General form )
o Energy conservation ( Gas phase )
𝜌𝑢
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
-
𝑑
𝑑𝑋
(𝜌𝒟
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
) = 𝑚 𝐹
′′′
Convection Diffusion (conduction) Fuel consumption source term
12

6.Program flow chart
TDMA solve for Fluid temperature field
TDMA solve for Solid temperature field
TDMA solve for Fuel mass fraction field
Update source ( regard to property field )
Start
Update velocity field
OUTPUT
Special treatment
• Source block
• Relaxation
13
Convergence check ?

 TDMA solve for Fluid temperature field
Convection Diffusion (conduction)
Source f(T)
Convection – Diffusion Discretization process
Numerical scheme 1st order upwind for face property estimation
Re-arrange in General form of Algebraic Equation
Update all Source term from previous solved temperature iteration
Combine source term with discretized Algebraic Equation
𝑎 𝑝 𝑇𝑝 = 𝑎 𝑤 𝑇 𝑤 + 𝑎 𝐸 𝑇𝐸 + 𝑆 𝑢
14

 TDMA solve for Solid temperature field
Diffusion (conduction) Source f(T)
Diffusion Discretization process
TDMA solve for Solid temperature field
𝑎 𝑝 𝑇𝑝 = 𝑎 𝑤 𝑇 𝑤 + 𝑎 𝐸 𝑇𝐸 + 𝑆 𝑢
15

 TDMA solve for Fuel mass fraction field
Convection Diffusion (conduction)
Source f(T)
Convection – Diffusion Discretization process
Numerical scheme 1st order upwind for face property estimation
𝑎 𝑝 𝐹𝑝 = 𝑎 𝑤 𝐹𝑤 + 𝑎 𝐸 𝐹𝐸 + 𝑆 𝑢
𝜌𝑢
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
-
𝑑
𝑑𝑋
(𝜌𝒟
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
) = 𝑚 𝐹
′′′
16

 Update source ( regard to property field )
𝜌𝑢
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
-
𝑑
𝑑𝑋
(𝜌𝒟
𝑑𝑌 𝐹
𝑑𝑋
) = 𝑚 𝐹
′′′
• Convert “ Mass fraction field “ to “ Mole fraction field “
• Convert “ Mole fraction field “ to “ concentration field “
• Calculate “ Arrhenius rate “ fuel consumption rate base on “ previous updated Temperature field “
• Calculate “ Fuel mass consumption rate field “
Fuel + Air -------- > Air
K(T) = A Exp (-Ea / Ru*T )
K(T)* concentration * MWf
17

 Update source ( regard to property field )
Combustion source term
Thermal in-equilibrium source
• Calculate “ Combustion heat release rate field “
(Fuel consumption rate) * (Heat of combustion )
(K(T)* concentration * MWf) * Heat of combustion
18

 Update velocity field
o Mass conservation ( Face property )
𝑑
𝑑𝑋
𝜌𝜀𝑢 = 0
• Update 𝜌 base on “ Pressure “ and “ Temperature field “
• Average 𝜌 for each face by average cell-center property
• Calculate “ Velocity “ cell face property
19

8.Result : Physical realistic validation with CHEMKIN 1D CODE
20
Fuelmassfraction
X-distance (m)
X-distance (m)
Temperature(K)
• Auto ignition using “ Strong
diffusion “ heat recirculation
X-distance (m)
Heatreleaserate(j/s)
CHEMKIN 1D CODE
CHEMKIN 1D CODE
CHEMKIN 1D CODE

8.Result
Inlet Outlet
x
Distance (X)
Property
- Combustion coupling With different HCfuel

Fluid temperature (Kelvin)
• ปัจจัยค่ำควำมร้อน และควำมเร็ว มีผลมำกต่อตำแหน่ง และ
ระยะทำงกำรเกิดปฏิกริยำ
• ที่ควำมเร็วทำงเข้ำ 5 m/s ให้ตำแหน่งอัตรำกำรเกิดปฏิกริยำ
ที่สั้นที่สุด โดยใช้ระยะประมำณ 0.1 เมตร
• ที่ควำมเร็ว 10 m/s และค่ำควำมร้อน 2,000,000
KJ/Kg จะได้ตำแหน่งและควำมยำวปฏิกริยำที่ใกล้เคียงกัน
หมด โดยปฏิกริยำจะสิ้นสุดที่ระยะประมำณ 0.02 เมตร
• ปัจจัยเรื่องค่ำควำมพรุนมีผลต่อปริมำตรส่วนแก๊สในกำรเกิด
ปฏิกริยำ
Gas mixture temperature
(Kelvin)
Distance
800,000 KJ/Kg
1,000,000 KJ/Kg
2,000,000 KJ/Kg :Heating value
5 m/s
Q recirculation flow ---- > Temperature gradient ( slope )

Porous media temperature (Kelvin)
• ค่ำอุณหภูมิของวัสดุพรุน มีค่ำสูงขึ้น ตำมระยะทำง โดยจะมี
ช่วงของ Thermal non-equilibrium อยู่บริเวณก่อน
และหลังบริเวณกำรเกิดปฏิกริยำเล็กน้อย
• หลังช่วงกำรเกิดปฏิกริยำเล็กน้อย พบว่ำอุณหภูมิของวัสดุพรุน
ปรับตัวมีค่ำเท่ำกับอุณหภูมิแก๊สร้อนตลอดระยะห้องเผำไหม้
Thermal equilibrium
• กำรถ่ำยเทควำมร้อนภำยในวัสดุพรุนมีทิศทำง ย้อนกลับจำก
บริเวณส่วนท้ำยขของปฏิกริยำย้อนกลับไปสู่บริเวณฐำน
จุดเริ่มต้นของปฏิกริยำ
Thermal equilibrium
Q recirculation flow ---- > Temperature gradient ( slope )
Porous media temperature
(Kelvin)
Distance

Kinetic rate ( Kg/s )
• ตำแหน่ง และ อัตรำกำรเกิดปฏิกริยำ
• ควำมเร็วและค่ำควำมร้อนมีผลต่อตำแหน่งและอัตรำในกำรเกิด
ปฏิกริยำ
• ควำมเร็ว 5 m/s ตำแหน่งของปฏิกริยำจะอยู่ใกล้ทำงเข้ำมำกี่
สุด เนื่องจำกมีอัตรำกำรสูญเสียควำมร้อนเนื่องจำกกำรพัดพำ
น้อยกว่ำกรณีที่ควำมเร็วสูงขึ้น จึงทำให้สำมำรถรักษำอุณหภูมิ
สูงที่บริเวณทำงเข้ำเอำไว้ได้
Kinetic rate
(Kg/s)
Distance

Heat transfer between phase ( Porous phase )
• วัสดุพรุนได้รับควำมร้อน จำกแก๊สร้อน ( Hot
mixture ) บริเวณส่วนท้ำยของกำรเกิดปฏิกริยำ
• ควำมร้อนถ่ำยเทย้อนกลับผ่ำนกำรนำควำมร้อนใน
เนื้อของแข็ง
• จำกนั้นควำมร้อนถูกถ่ำยเทให้กับ cold mixture
บริเวณส่วนเริ่มต้นของกำรเกิดปฏิกริยำ
Heat transfer between phase (J/s)(J/s)
Distance

General physics ( Gas porous heat transfer interaction )
• วัสดุพรุนได้รับควำมร้อน จำกแก๊สร้อน ( Hot mixture ) บริเวณส่วนท้ำยของกำรเกิดปฏิกริยำ
• ควำมร้อนถ่ำยเทย้อนกลับผ่ำนกำรนำควำมร้อนในเนื้อของแข็ง
• จำกนั้นควำมร้อนถูกถ่ำยเทให้กับ cold mixture บริเวณส่วนเริ่มต้นของกำรเกิดปฏิกริยำ
แหล่ง Heat recirculation 1.) Gas temperature gradient
2.) Heat transfer ผ่ำนกำรนำควำมร้อนในเนื้อของแข็งย้อนกลับเข้ำสู่บริเวณตำแหน่งเริ่มต้นปฏิกริยำ

Numerical issue notes
• ปรำกฏกำรณ์ไม่เสถียรและลู่ออก
• ค่ำเชื้อเพลิงติดลบบริเวณ mesh สุดท้ำย
• กำรแกว่งของสนำมอุณหภูมิในเฟสของแข็ง เมื่อเพิ่มกำร couple กำรถ่ำยเทควำมร้อนกับเฟสแก๊ส

การแก้ไข numerical issue
• แนวทำงแก้ไข ค่ำเชื้อเพลิงติดลบบริเวณ mesh สุดท้ำย
1.) ใช้ mesh ที่มีควำมละเอียดพียงพอในบริเวณที่เชื้อเพลิงหมด
2.) เพิ่ม routine ที่ใช้ตรวจสอบปริมำณเชื้อเพลิง ก่อนจะ update source ในทุกๆรอบ
1.) 2.)

การแก้ไข numerical issue
• กำรแกว่งของสนำมอุณหภูมิในเฟสของแข็ง เมื่อเพิ่มกำร couple กำรถ่ำยเทควำมร้อนกับเฟสแก๊ส
1.) เพิ่มกระบวนกำร Relaxation ในแต่ละรอบของกำร couple

THANK YOU

Seminar III draft version1

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Seminar III draft version1

Editor's Notes