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Numerical Investigation of Droplet Vaporization and CH4/Air, CH4/O2 and CH4/LOXCounterflowing Spray Flames for Elevated Pressure

Urzica, Daniela

German Title: Numerische Untersuchung der Tröpfchen Verdampfung und CH4/Luft, CH4/O2 und CH4/LOX Gegenstrom Sprayflammen bei erhöhtem Druck

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Abstract

Study and optimization of the physical and chemical processes that are involved in many applications in science and engineering are worthwhile, to ensure the stability and efficiency of their performance. Examples are combustion process in direct injection engines, gas turbine combustors, and liquid rocket propulsion systems. First step in understanding a spray must naturally be the understanding of its basic constituents: i.e. single droplets. Hence, it is important to develop good numerical models that can predict and simulate the process of evaporation of a single droplet accurately. Thus, computational investigation of the evaporation of water droplets induced by an infrared laser beam is performed. In particular, a single spherical droplet is considered, which is suspended on horizontal and vertical glass fibers in air under atmospheric pressure. The droplet heating and evaporation are induced by a pulsed CO2 laser. The fuels in liquid rocket propulsion systems, methane and kerosene, are being discussed as alternative fuels to hydrogen because of their high energy content. Methane has some advantages compared to kerosene because of its cleaner burning characteristics. The present study contributes to an improved understanding of methane/air, methane/oxygen and methane/LOX (liquid oxygen) combustion compared to the hydrogen/oxygen system. A numerical investigation of laminar CH4/air and CH4/O2 flames is performed, where different mixtures of nitrogen and oxygen in the oxidizer stream are studied. Moreover, liquid oxygen spray flames with carrier gas methane against an oxygen stream are investigated in the counterflow configuration. The obtained results may be used in (spray) flamelet library or computations of flamelet generated manifolds in turbulent combustion. The mathematical model is based on the two-dimensional conservation equations, which are transformed into one-dimensional equations using a similarity transformation. The numerical simulation concerns the axi-symmetric configuration with an adaptive grid for the gas phase. Detailed models of all relevant processes are employed; in particular, a detailed chemical reaction mechanism is used, which comprises 35 species involving 294 elementary reactions. The chemical reaction scheme presented in this work was developed in [1]. The thermodynamic data for CH4 and O2 between 100 and 300 K are implemented for normal and elevated pressures for use in computations of cryogenic CH4/LOX combustion. For the CH4/air laminar flame, the present results are compared with results from literature to verify the mathematical model, chemical mechanism and the numerical scheme. The CH4/O2 flame is studied for elevated pressures up to 2 MPa. Both extinction strain rates and the scalar dissipation rates at stoichiometric conditions are evaluated for use in future turbulent flamelet computations. It is shown that oxygen dilution, pressure, and strain rate have a pronounced effect on flame structures, which becomes evident by studying the effects of liquid oxygen compared to gaseous oxygen on flame structure. The combustion of CH4/LOX with preceding evaporation of liquid oxygen under cryogenic conditions has displayed a significant effect of the liquid phase on gas temperature. Moreover, the spray flame is broadened with increase of initial droplet size.

Translation of abstract (German)

Die Untersuchung der physikalischen und chemischen Prozesse ist eine wertvolle Hilfe für die Sicherung der Zuverlässigkeit und Effizienz vieler technischer und wissenschaftlicher Anwendungen. Beispiele dafür sind die verbrennungsvorgänge in Einspritzmotoren, Gasturbinen oder Flüssigkeitsraketentriebwerken. Der erste Schritt zur Beschreibung der Vorgänge in einem Spray ist das Verständnis der grundlegenden Komponenten, beispielsweise des einzelnen Tröpfchens. Dafür ist es wichtig, ein numerisches Modell zu entwickeln, das den Prozess der Verdampfung eines Tröpfchens präzise beschreiben kann. Zu diesem Zweck wurde die durch einen Infrarot-Laser induzierte Verdampfung eines Wassertropfens berechnet. Dazu wurde ein kugelförmiges Tröpfchen in Luft unter Normalbedingungen angenommen, das mit Hilfe von vertikalen und horizontalen Glasfiberfasern fixiert ist. Als alternative Brennstoffe für Wasserstoff werden, aufgrund ihres hohen Energieinhalts, die Brennstoffe Methan und Kerosin untersucht. Dabei hat Methan wegen seiner sauberen Verbrennung gewisse Vorteile gegenüber Kerosin. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Verbrennung von Methan/Luft, Methan/Sauerstoff und Methan/LOX (flüssiger Sauerstoff) gegenüber dem Wasserstoff/Sauerstoff System bei. Es wurden numerische Untersuchungen von laminaren CH4/Luft und CH4/Sauerstoff Flammen bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von Stickstoff und Sauerstoff im Sauerstoffseite durchgeführt. Weiterhin wurde in einer Gegenstromkonfiguration die Flamme eines flüssigen Sauerstoff-Sprays in einem Methan Trägergas gegen einen Sauerstoff-Strom untersucht. Diese Ergebnisse können in Flamelet Bibliotheken oder in Flamelet generated manifolds bei turbulenter Verbrennung verwendet werden. Im zugrundeliegenden mathematischen Modell werden die ursprünglich zweidimensionalen Gleichungen durch eine Ähnlichkeitstransformation auf eine Dimension reduziert. Das numerische Modell benutzt eine axialsymmetrische Konfiguration mit einem adaptiven Gitter für die Gasphase. Es werden detaillierte Modelle für alle relevanten Prozesse verwandt. Im speziellen wird ein detaillierter chemischer Reaktionsmechanismus mit 35 Spezies und 294 elementaren Reaktionen benutzt. Das chemische Reaktionsschema, das in dieser Arbeit beschrieben wird, wurde in [1] entwickelt. Die thermodynamischen Daten für CH4 und O2 ziwschen 100 K und 300 K wurden, für die Verwendung bei der Berechnung kyrogener CH4/LOx Verbrennung, für normalen und hohen Druck implementiert. Zur Verifizierung des mathematischen Modells, des Reaktionsmechanismus und des numerischen Verfahrens, wurden die wurden die vorliegenden Ergebnisse der laminaren CH4/Luft -Flamme mit den Literaturwerten verglichen. Die CH4/O2 Flamme wurde für einen erhöhten Druckbereich bis zu 2 MPa untersucht. Die Streckungsgeschwindigkeit bei der Auslöschung wurde ebenso berechnet, wie der Wert der skalaren Dissipationsgeschwindigkeit. Diese Werte können für zukünftige turbulente Flamelet-Berechnungen verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass die Verringerung von Sauerstoff, Druck und Streckungsgeschwindigkeit einen deutlichen Einfluss auf die Struktur der Flamme haben. Dies wird durch den Vergleich der Flammenstrukturen von flüssigem und gasförmigen Sauerstoff verifiziert. Die Verbrennung von CH4/LOx mit vorhergehender Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs unter kyrogenen Bedingungen zeigte einen signifikanten Effekt der flüssigen Phase auf die Gastemperatur. Außerdem wurde bei der Vergrößerung des initialen Tröpfchendurchmessers eine Verbreiterung der Flamme des Sprays beobachtet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Gutheil, Prof. Dr. Eva
Date of thesis defense: 2. July 2010
Date Deposited: 11. Jan 2011 14:26
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: CH4/LOx , spray combustion , cryogenic enriched oxygen , counterflow configuration , laminar flame
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