Simulation of the mixing and reacting fields of Tay-type gas turbine combustor for methane/air and n-heptane/air mixtures utilizing the eddy dissipation model in an open-source solver
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σούφλας, Κωνσταντίνος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Κούτμος, Παναγιώτης | |
| dc.contributor.author | Πετράτος, Στέφανος | |
| dc.contributor.other | Petratos, Stefanos | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-06T14:23:04Z | |
| dc.date.available | 2025-03-06T14:23:04Z | |
| dc.date.issued | 2025-03-05 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | This thesis focuses on the simulation of the isothermal mixing field and the reacting flow within a Tay-type gas turbine combustor (Rolls-Royce Tay). Initially, an overview of combustion is provided, detailing key combustion parameters and the classification of combustion problems. Subsequently, the primary types of combustors commonly employed in aeronautical applications for aircraft propulsion are introduced, along with an emphasis on their fundamental design requirements. The governing equations for combustion phenomena, including the conservation of mass, momentum, and species mass, are presented and appropriately adapted for application to the current study. The simulation employs the Eddy Dissipation Model (EDM) to account for the interaction between turbulence and chemical reactions, while turbulence itself is modeled using the Lilly-Smagorinsky Large Eddy Simulation (LES) approach. Two separate simulations were conducted with n-Heptane and Methane as the fuel respectively for the study, and the chemical reactions were modeled using a two-step reduced reaction mechanism. This simplified mechanism allows for the accurate prediction of major species, such as CO and CO2, while maintaining computational efficiency. The boundary conditions used in the simulation are detailed, alongside the simplifications and assumptions made to streamline the problem. The geometry was created using the Fusion360 software package and in detail explained in this thesis. Then, the mesh was created using the utilities provided by OpenFOAM such as blockMesh and snappyHexMesh. Lastly, the numerical simulations were executed in the open-source platform OpenFOAM. The results were compared with the experimental measurements of Heitor and Whitelaw. In conclusion, the thesis presents key findings, discusses the agreement between simulation and experimental data, and offers suggestions for future research to further refine and expand upon this work. | |
| dc.description.translatedabstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη προσομοίωση του ισόθερμου πεδίου ανάμιξης και της αντιδρώσας ροής σε ένα θάλαμο καύσης τύπου Tay για στροβιλοκινητήρα αερίων (Rolls-Royce Tay). Αρχικά, παρέχεται μια επισκόπηση της καύσης, με λεπτομέρειες σχετικά με βασικές παραμέτρους καύσης και την ταξινόμηση των προβλημάτων αυτής. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι κύριοι τύποι θαλάμων καύσης που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αεροναυτικές εφαρμογές για την προώθηση αεροσκαφών, με έμφαση στις βασικές απαιτήσεις σχεδιασμού τους. Οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τα φαινόμενα καύσης, συμπεριλαμβανομένων της διατήρησης μάζας, ορμής και μάζας ειδών, παρουσιάζονται και προσαρμόζονται κατάλληλα για την εφαρμογή τους στη συγκεκριμένη μελέτη. Η προσομοίωση χρησιμοποιεί το μοντέλο Eddy Dissipation Model (EDM) για την περιγραφή της αλληλεπίδρασης μεταξύ στροβιλισμού και χημικών αντιδράσεων, ενώ η ίδια η τυρβώδης ροή προσομοιώνεται με το μοντέλο Lilly-Smagorinsky Large Eddy Simulation (LES). Δύο ξεχωριστές προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν, χρησιμοποιώντας επτάνιο και μεθάνιο ως καύσιμο αντίστοιχα, και η μοντελοποίηση των χημικών αντιδράσεων έγινε με έναν διβηματικό μηχανισμό. Αυτός ο απλουστευμένος μηχανισμός επιτρέπει την ακριβή πρόβλεψη κύριων ειδών, όπως το CO και το CO2, ενώ διατηρεί την υπολογιστική αποδοτικότητα. Οι οριακές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση περιγράφονται λεπτομερώς, μαζί με τις απλοποιήσεις και τις παραδοχές που έγιναν για την απλοποίηση του προβλήματος. Η γεωμετρία δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό Fusion360, της οποίας τα βήματα περιγράφονται αναλυτικά στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια, το πλέγμα δημιουργήθηκε με τη χρήση εργαλείων που παρέχει το OpenFOAM, όπως τα blockMesh και snappyHexMesh. Τέλος, οι αριθμητικές προσομοιώσεις εκτελέστηκαν στην ανοιχτού κώδικα πλατφόρμα OpenFOAM. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα των Heitor και Whitelaw. Συμπερασματικά, η εργασία παρουσιάζει βασικά ευρήματα, συζητά τη συμφωνία μεταξύ αριθμητικών προσομοιώσεων και πειραματικών δεδομένων, και προτείνει κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα, με στόχο τη βελτίωση και επέκταση αυτής της μελέτης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/29240 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Gas turbine combustors | |
| dc.subject | Computational fluid dynamics (CFD) | |
| dc.subject | OpenFOAM | |
| dc.subject | Eddy dissipation model (EDM) | |
| dc.subject | Large eddy simulation (LES) | |
| dc.subject.alternative | Καυστήρας αεριοστροβίλου | |
| dc.subject.alternative | Μοντέλο διασκορπισμού δινών | |
| dc.subject.alternative | Υπολογιστική ρευστοδυναμική | |
| dc.subject.alternative | Μοντέλο μεγάλων δινών | |
| dc.title | Simulation of the mixing and reacting fields of Tay-type gas turbine combustor for methane/air and n-heptane/air mixtures utilizing the eddy dissipation model in an open-source solver | |
| dc.title.alternative | Μοντελοποίηση του πεδίου καύσης για μείγματα μεθανίου/αέρα και επτανίου/αέρα σε σωληνοειδή καυστήρα αεριοστροβίλου με χρήση του μοντέλου διάχυσης στροβίλων σε έναν ανοιχτού κώδικα επιλύτη |