Large Eddy Simulations of a lean premixed swirl-stabilized combustor

Hydrogen, with its high energy density and carbon-free combustion, is a promising clean energy carrier for power generation and potential use in aeronautics. Stabilizing hydrogen flames in ultra-lean premixed conditions, exploiting its wide flammability range, can suppress nitric oxides (NOx) formation linked to high flame temperatures via the Zel’dovich mechanism. Swirled combustors are commonly used to rapidly mix and stabilize lean premixed flames, particularly in low-velocity regions associated with the central recirculation zone. The high reactivity and diffusivity of hydrogen pose challenges such as flashback and flame instabilities. To address this, axial air injection (AAI) can be employed to increase axial momentum within the combustor, effectively controlling flame positioning and preventing flashback. In the present work, large eddy simulations (LES) with flamelets based thermochemistry and presumed probability density function (PDF) to represent the flame-turbulence interaction, are used to investigate the flow field and emissions within the swirled technically premixed laboratory combustor with AAI at TU Delft. The objective of the present work is to assess the ability of the in-house developed LES model to predict the correct flow field and pollutant emissions in the swirled flow configuration, in order to facilitate future investigation of hydrogen-enriched flames. The study is organized as follows. First, a non-reactive case with only oxidizer as working fluid is analyzed to validate the model against in-house experimental data, and to achieve further insight on the flow features and its dependence on the swirl number at the inlet of the mixing tube. The analysis is then extended to a non-reactive CH4/air to understand how density variation affects flow features. Finally, a reactive CH4/air is simulated to evaluate the LES closure and an innovative NOx emission prediction method. Results show a notable agreement between the predicted and the measured flow fields for the non-reacting validation cases. Both experimental and numerical analysis reveals how fuel/oxidizer mixing plays a predominant role in flame stabilization, temperature and emissions. The inclusion of a transport equation is observed to dramatically enhance the prediction of NOx compared to the look-up table approach. Additionally, the local equivalence ratio variations on the flame front predicted by the model are observed to influence the local temperature, acceleration pattern of the flow field, flame stabilization location and NOx emissions. Further understanding of these behaviours are explored from the numerical side and compared with the experimental data in the present work.

L’idrogeno, con la sua alta densità energetica e la sua combustione priva di carbonio, è un promettente vettore di energia pulita per la generazione di energia e per un potenziale utilizzo in aeronautica. La stabilizzazione delle fiamme di idrogeno in condizioni di premiscelazione ultra magra, sfruttando il suo ampio intervallo di infiammabilità, può sopprimere la formazione di ossidi di azoto (NOx) legata alle alte temperature di fiamma attraverso il meccanismo di Zel’dovich. I combustori con swirler sono comunemente utilizzati per miscelare rapidamente e stabilizzare le fiamme premiscelate magre, in particolare nelle regioni a bassa velocità della zona di ricircolo centrale. L’elevata reattività e diffusività dell’idrogeno pone problemi quali il flashback e altre instabilità di fiamma. Per risolvere questo problema, si può ricorrere all’iniezione assiale di aria (AAI) per aumentare la componente assiale della quantità di moto all’interno del combustore, controllando efficacemente il posizionamento della fiamma e prevenendo il ritorno di fiamma. Nel presente lavoro, Large Eddy Simulations (LES) con termochimica basata su flamelets e funzione di densità di probabilità (PDF) presunta per rappresentare l’interazione fiamma-turbolenza, sono utilizzate per studiare il campo di moto e le emissioni all’interno del combustore di laboratorio premiscelato con AAI presso TU Delft. L’obiettivo del presente lavoro è quello di valutare la capacità del modello LES, sviluppato internamente, di prevedere il campo di flusso corretto e le emissioni inquinanti nella configurazione di flusso swirlato, al fine di facilitare le future indagini sulle fiamme arricchite di idrogeno. Lo studio è organizzato come segue. In primo luogo, viene analizzato un caso non reattivo con solo ossidante come fluido di lavoro per convalidare il modello rispetto ai dati sperimentali Particle Image Velocimetry (PIV) interni e per ottenere ulteriori informazioni sulle caratteristiche del campo di moto e sulla sua dipendenza dal numero di Swirl all’ingresso del tubo di miscelazione. L’analisi viene poi estesa a un caso CH4/aria non reattivo per capire come la variazione della densità influisca sulle caratteristiche del campo di moto. Infine, viene simulato un caso CH4/aria reattivo per valutare la chiusura della LES e un innovativo metodo di previsione delle emissioni di NOx. I risultati mostrano un notevole accordo tra i campi di moto simulati e misurati per i casi non reattivi. L’analisi sperimentale e numerica rivela come la miscelazione combustibile/ossidante giochi un ruolo predomi-nante nella stabilizzazione della fiamma, nella temperatura e nelle emissioni. Si osserva che la risoluzione di un’equazione di trasporto migliora notevolmente la previsione di NOx rispetto all’approccio tabulare. Inoltre, si osserva che le variazioni locali del rapporto di equivalenza sul fronte di fiamma previste dal modello influenzano la temperatura locale, il campo di accelerazione, la posizione di stabilizzazione della fiamma e le emissioni di NOx. La comprensione di questi comportamenti viene approfondita dal punto di vista numerico e confrontata con i dati sperimentali nel presente lavoro.