Numerical and experimental study of a hydrogen gas turbine combustor using the jet in cross-flow principle

Numerical and experimental study of a hydrogen gas turbine combustor using the jet in cross-flow principle

A thesis submitted for the degree of Doctor in Engineering Sciences

by

Elmar Recker

January 2012

- Et qu'est-ce qu'on brûlera un jour à la place du charbon?, demanda le marin.

- L'eau, répondit Cyrus Smith.

- L'eau!, s'écria le marin, L'eau pour chauer les bateaux à vapeur et les locomotives, l'eau pour chauer l'eau!

- Oui, mes amis, je crois que l'eau sera un jour employée comme combustible, que l'hydrogène et l'oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d'une intensité que la houille ne saurait avoir.

L'eau est le charbon de l'avenir.

Acknowledgment

The successful completion of this dissertation was made possible by the help and support of many people.

First of all, I would like to express my sincere gratitude to my supervisors, Prof. Dr.

Walter Bosschaerts and Prof. Dr. Patrick Hendrick, for having given me the opportunity in conducting this thesis and for their academic and personal guidance.

The work has greatly beneted from contacts and discussions with Prof. Dr. Harald Funke and Sebastian Boerner at Aachen University of Applied Sciences, Germany.

Special thanks goes to Rolf Wagemaekers for his technical support, and to Bart Janssens for help in the proof reading of the thesis.

Bei meinen Eltern möchte ich mich bedanken für Ihre immerwährende mentale Unter- stützung.

Ein besonders herzlichen Dank geht an meine Kinder Tobias und Laura. Ihr Verständ- nis gaben mir den nötigen Rückhalt.

Last, but not least, I would like to thank my girlfriend Gael for her unconditional help and patience.

Brussels, january 2012

Elmar Recker

Table of Contents

Acknowledgment iii

Summary xv

Résumé xvii

Samenvatting xix

1 Introduction 1

1.1 Mechanisms of NO

pollutant formation and control . . . . 3

1.2 APU GTCP 36-300 . . . . 6

1.3 Micromix combustion principle . . . . 7

1.4 Thesis structure . . . 12

2 Micromix Jet In Cross-Flow measurement techniques 13 2.1 Measurement techniques . . . 14

2.1.1 Constant Temperature Anemometry . . . 14

2.1.2 Laser Doppler Velocimetry . . . 15

2.1.3 Particle Image Velocimetry . . . 16

2.2 Experimental investigations of the Micromix JICF . . . 18

2.3 Alternative options . . . 19

3 Experimental study of Jet In Cross-Flow 21 3.1 Experimental SPIV study on a scaled geometry . . . 21

3.1.1 Jet In Cross-Flow . . . 21

3.1.2 Experimental facility and techniques . . . 28

3.1.3 Measurement accuracy . . . 30

3.1.4 Results . . . 36

3.1.5 Intermediate conclusions . . . 50

3.2 Similarity . . . 51

3.2.1 Overview of past researches . . . 51

3.2.2 Results . . . 53

3.2.3 Intermediate conclusions . . . 60

3.3 Jet In Cross-Flow interaction . . . 61

4 Numerical study of Jet In Cross-Flow 63 4.1 Experimental test cases . . . 64

4.2 Computational method . . . 64

4.2.1 Governing equations for uid ow . . . 65

4.2.2 Grid characteristics . . . 66

vi

4.2.3 Boundary conditions and simulation parameters . . . 69

4.3 Results . . . 70

4.3.1 Error analysis and estimation . . . 71

4.3.2 Flow physics . . . 80

4.3.3 Mixing process . . . 88

4.3.4 Intermediate conclusions . . . 89

4.4 Scaled geometry suitability . . . 90

5 Experimental and numerical study of double backward-facing step ow 93 5.1 Backward-facing step ow . . . 94

5.2 Set-up and procedure . . . 95

5.3 Results . . . 95

5.3.1 Scaled geometry . . . 95

5.3.2 Eect of step heights . . . 100

5.4 Intermediate conclusions . . . 104

6 Experimental and numerical study of the Micromix combustion prin- ciple 105 6.1 Experimental study . . . 106

6.1.1 Experimental methodology . . . 106

6.1.2 Experimental results . . . 108

6.2 Reaction mechanisms of hydrogen combustion . . . 111

6.2.1 Mechanism for hydrogen combustion . . . 111

6.2.2 Mechanism for nitrogen oxides formation . . . 111

6.3 Computational method . . . 114

6.3.1 Governing equations and numerical implementation . . . 115

6.3.2 Grid structure . . . 116

6.3.3 Run and boundary conditions . . . 117

6.4 Numerical study . . . 122

6.4.1 Flame structure . . . 122

6.4.2 NO

formation mechanism . . . 128

6.5 Directions for improvement . . . 131

6.5.1 Micromix design . . . 131

6.5.2 Design process . . . 132

6.6 Intermediate conclusions . . . 133

7 Conclusions 135

List of Tables

1.1 APU GTCP 36-300 working parameters . . . . 6

1.2 Test rig similarity conditions at MES . . . 10

1.3 Research structure . . . 12

2.1 Non-preheated segment burner estimated ow characteristics . . . 14

2.2 Particle Image Velocimetry main characteristics . . . 18

2.3 RMA Dual Laser Doppler Velocimetry optimization for wavelength λ = 500 nm . . . 19

2.4 RMA Particle Image Velocimetry optimization for N

= 32 pixels . . . 19

3.1 Micromix individual injection zone and scaled experimental set-up inow conditions . . . 29

3.2 Uncertainty analysis for SPIV measurements . . . 31

3.3 Hypotheses testing . . . 33

3.4 Jet trajectory equation terms: α , β . . . 51

3.5 Jet trajectory equation terms: A, B . . . 52

3.6 Jet In Cross-Flow (JICF) simplied ow model . . . 61

4.1 Grid stream-wise and radial resolution estimates . . . 67

4.2 LES and DNS equivalence . . . 75

5.1 Recirculation time dependence on air guiding gate step height . . . 102

5.2 Strouhal number of perturbation against liner step height . . . 104

6.1 Segment burner experimental run conditions . . . 108

6.2 H

/O

kinetic mechanism . . . 112

6.3 H

/N

/O

kinetic mechanism . . . 114

6.4 Segment burner numerical run conditions . . . 117

6.5 Relative importance of NO formation pathways . . . 129

Nomenclature

Abbreviations and Chemical Formulae

AcUAS Aachen University of Applied Sciences

APU Auxiliary Power Unit

CO Carbon monoxide

CO

Carbon dioxide

CCD Charge-Coupled Device

CFD Computational Fluid Dynamics

CI Condence Interval

CRVP Counter Rotating Vortex Pair CTA Constant Temperature Anemometry DNS Direct Numerical Simulation

DSSN Downstream Spiral Separation Node ECS Environment Control Supply

EQHHPP Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project ESHP Equivalent Shaft Horse Power

FH Fachhochschule

FPs Framework Programmes

H

O

Hydrogen peroxide

H

O Water vapor

H

Hydrogen

HO

Hydroperoxyl radical

H Hydrogen atom

HIT Homogeneous Isotropic Turbulence

JICF Jet In Cross-Flow

LDA Laser Doppler Anemometry

LDV Laser Doppler Velocimetry

LES Large Eddy Simulation

LPM Lean-Premixed

LVL Lee-side Vortex Loops

M Third body constituent

MARS Monotone Advection and Reconstruction Scheme

MES Main Engine Start

N

O Nitrous oxide

N

Nitrogen

NNH Diazenyl

NO

Nitrogen dioxide

NO

Nitrogen oxides (NO + NO

)

NO Nitrogen oxide

N Nitrogen atom

x

O

Oxygen

OH Hydroxide radical

O Oxygen atom

PISO Pressure-Implicit with Splitting of Operators PIV Particle Image Velocimetry

PLIF Planar Laser-Induced Fluorescence POD Proper Orthogonal Decomposition

ppm part per million

RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes

RLV Ring-Like-Vortices

RMA Royal Military Academy

rms root-mean-square

RPM Revolutions Per Minut

RQL Rich-burn/Quick-quench/Lean-burn

SO

Sulfur oxides

SIMPLE Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations SPIV Stereoscopic Particle Image Velocimetry

SST Shear Stress Transport LLV Leeward Shear Layer Vortex

UHC Unburned Hydro Carbons

ULV Upstream Shear Layer Vortex

UVL Upstream Vortex Loops

V/STOL Vertical and/or Short Take-o and Landing

Notations

Symbol Denition Unit

A Geometrical area or as dened m

B Regression coecient -

C Mean mole concentration mol/l

c Mole concentration mol/l

c

Fluctuating mole concentration mol/l

C

Mean mole concentration in the jet nozzle mol/l

C

Model constant -

C

Model constant -

C

Smagorinsky constant -

C

Constant pressure specic heat J/kg K

d Displacement vector m

D Computational domain m

d Diameter m

d

Beam waist diameter mm

d

Beam waist diameter before passing the front lens mm

d

Spacing between the pixels on the CCD array µm

d

, d

, d

Size of the measuring volume µm

E Beam expansion factor or as dened -

E

Activation energy J/mol

f Frequency or as dened Hz

xi

f

Doppler frequency Hz

f

Frequency shift Hz

F

Diusional energy ux in direction x

J/m

s

F

Diusion ux component of species m in direction x

kg/m

s

G Filter function -

h Specic enthalpy J/kg

H

Null hypothesis -

h

Jet vertical extension mm

k Turbulent kinetic energy m

/s

K

Equilibrium constant in concentration units varies

k

Forward reaction rate constant varies

k

Backward reaction rate constant varies

L Geometrical circumference m

l Spatial resolution mm

˙

m Mass ow kg/s

M Molecular weight g/mol

M I Mixing index -

N Number of chemical species -

n Stoichiometric coecient -

N

Total number of reactions -

N

Side of interrogation area pixel

P Total pressure Pa

p Static pressure Pa

P r Prandtl number -

Q Second invariant of the velocity gradient tensor 1/s

r Momentum ratio or as dened -

r

Vortex core size m

R

Vorticity tensor components 1/s

Re Reynolds number -

R Universal gas constant Pa m

/mol K

S Mixedness -

s Specic entropy or as dened J/kg K

S (PIV) Object to image scaling factor -

s

Power source J/s

S

Production rate of constituent m kg/s

S

Rate of strain tensor components 1/s

Sc Schmidt number -

St Strouhal number -

T Temperature K

t Time s

U Velocity vector m/s

U , V , W Mean Cartesian velocity components m/s

u , v , w Cartesian velocity components m/s

u

, v

, w

Fluctuating Cartesian velocity components m/s

U

Up-wash velocity m/s

V

Axial velocity m/s

xii

x Mole fraction -

x , y , z Cartesian coordinates -

Y Mass fraction -

y

Normalized y coordinate -

α Regression coecient -

β Regression coecient -

δ Flow width mm

δ

Flame thickness mm

δ

Light sheet thickness mm

δ

Distance between fringes µm

δ

80% boundary layer thickness mm

Λ Metric coecient -

λ Ratio of actual air-fuel ratio to stoichiometry -

λ (LDV) Wavelength nm

λ

Turbulence dissipation length scale µm

λ

Scalar dissipation length scale µm

µ Dynamic viscosity Pa s

ν Kinematic viscosity or as dened m

/s

ω Vorticity 1/s

φ Equivalence ratio -

ρ Density kg/m

τ

Stress tensor components Pa

θ Phase angle °

θ (LDV) Angle between the incident beams °

Γ Circulation m

/s

Subscripts and Superscripts

a Ambient

ad Adiabatic

AGG Air Guiding Gate

air Air

H

Hydrogen

f Fuel

H Contraction

I Shear layer instability

i, j, k Abstract index notation

j Jet

k Constituent

L Liner

m Constituent

max Maximum

p Perturbation

R Reaction

r Reattachment

ref Reference

rel Relative

xiii

s Shedding

SGS Sub-grid scale

t Turbulent

0 Standard conditions for enthalpy

3 Combustor inlet

4 Combustor outlet

∞ Free-stream

Summary

C ONTROL of pollutants and emissions has become a major factor in the design of modern combustion systems. The Liquid Hydrogen Fueled Aircraft - System Analy- sis project funded in 2000 by the European Commission can be seen as such an initiative.

Within the framework of this project, the Aachen University of Applied Sciences devel- oped experimentally the Micromix hydrogen combustion principle and implemented it successfully in the Honeywell APU GTCP 36-300 gas turbine engine. Lowering the reaction temperature, eliminating hot spots from the reaction zone and keeping the time available for the formation of NO

to a minimum are the prime drivers towards NO

reduction. The Micromix hydrogen combustion principle meets those requirements by minimizing the ame temperature working at small equivalence ratios, improving the mixing by means of Jets In Cross-Flow and reducing the residence time in adopting a combustor geometry that provides a very large number of very small diusion ames. In terms of pollutant emissions, compared to the unconverted APU, an essential reduction in emitted NO

was observed, stressing the potential of this innovative burning principle.

The objective of this thesis is to investigate the Micromix hydrogen combustion prin- ciple with the ultimate goal of an improved prediction during the design process. Due to the complex interrelation of chemical kinetics and ow dynamics, the Micromixing was analyzed rst. Stereoscopic Particle Image Velocimetry was used to provide insight into the mixing process. A simplied set-up, that allowed to investigate the ow characteris- tics in great detail while retaining the same local characteristics of its real counterparts, was considered. The driving vortical structures were identied. To further investigate the physics involved and to extend the experimental results, numerical computations were car- ried out on the same simplied set-up as on a literature test case. In general, a number of physical issues were claried. In particular, the interaction between the dierent vor- tical structures was looked into, and a kinematically consistent vortex model is proposed.

After demonstrating the development of the mixing, the cold ow study was extended

to a single injector. The double backward-facing step injector geometry was addressed

experimentally and numerically. At design geometry, the ow appeared to behave single

backward-facing like, with respect to the rst gradation. In terms of varying step cong-

urations, the ow was seen to be dependent on the periodic perturbation arising from the

graded series of backward-facing steps. During the second part of the investigation, the

hot ow was analyzed. Considering combustor similar operating conditions, a test burner

was experimented on an atmospheric test rig. NO

emissions were traced by exhaust gas

analysis for dierent working conditions. Particular ame patterns, such as a regular at-

tached ame as well as lifted ames were observed. In parallel with the experimental

work, numerical computations on a pair of opposite injectors, permitted to classify the

combustion regime and the main factors involved in the NO

formation. Accordingly, NO

emission enhancing design changes are proposed. Finally, the demanding computational

eort, worthy of acceptance for academic purposes, is found not agreeable as future design

tool and improvements to speed up the design process are projected.

Résumé

L E contrôle des agents polluants et des émissions est devenu un facteur majeur dans la conception des systèmes de combustion modernes. Le projet Liquid Hydrogen Fueled Aircraft - System Analysis nancé en 2000 par la Commission Européenne (FPs) peut être considéré comme une initiative dans ce domaine. Dans le cadre de ce projet, la Aachen University of Applied Sciences a développé à titre expérimental le principe de combustion d'hydrogène Micromix et l'a implémenté avec succès dans la turbine à gaz Honeywell APU GTCP 36-600. La réduction de la température de réaction, l'élimination des points chauds de la zone de réaction et le maintien minimal de la durée nécessaire à la formation de NO

constituent les clés de la réduction des NO

. Le principe de combustion d'hydrogène Micromix est en adéquation avec ces objectifs grâce à sa minimalisation de la température de amme en fonctionnant à de faibles richesses, à l'amélioration du mélange par des Jets In Cross-Flow et à la réduction du temps de séjour en ayant recours à une géométrie de chambre à combustion qui permette d'obtenir un très grand nombre de petites ammes de diusion. En termes d'émissions polluantes et en comparaison avec l'APU non-converti, on a pu observer une réduction conséquente des NO

émis, ce qui met en évidence le potentiel de ce principe de combustion innovant.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le principe de combustion à hydrogène Mi- cromix avec pour nalité d'améliorer les prévisions au cours du processus de conception.

Il a été décidé de d'abord étudier le Micromixing, étant donné la complexité des inter- actions entre la cinétique chimique et la dynamique des ux. La Stereoscopic Particle Image Velocimetry fut utilisée pour fournir une meilleure compréhension du processus de mélange. Une conguration simpliée permettant d'étudier les caractéristiques des ux de manière très détaillée tout en maintenant des caractéristiques locales identiques à celles du monde physique fut considérée. Les structures vorticales majeures furent identiées.

Aux ns d'élargir les résultats expérimentaux et d'investiguer plus en avant les interactions physiques qui entrent dans le processus, des simulations numériques furent eectuées sur la même conguration simpliée tout comme sur un cas issu de la littérature. De manière générale, un certain nombre de problèmes physiques furent clariés. Plus particulière- ment, on s'est attaché à l'étude de l'interaction entre les diérentes structures vorticales et un modèle de vortex cinématiquement viable est proposé. Une fois le développement du mélange démontré, l'étude du ux froid fut étendue à un seul injecteur. L'injecteur à géométrie double backward-facing step fut étudié expérimentalement et numériquement.

Dans sa conguration de base, le ux se comporte en single backward-facing step par

rapport à la première marche. Lors de combinaisons variables de marches, il s'est avéré

que le ux dépend de la perturbation périodique issue de la série de marches en backward-

facing. Au cours de la seconde partie de l'étude, le ux chaud fut analysé. En tenant

compte de conditions de fonctionnement similaires au brûleur réel, un brûleur test fut ex-

périmenté sur un banc d'essais atmosphérique. Les émissions de NO

furent tracées grâce

à l'analyse des gaz d'échappement en diérents points de fonctionnement. Des modèles de

amme spéciques, tels ceux des ammes normales attachées ainsi que ceux des ammes

xviii

en lévitation ont été observés. Des simulations numériques eectuées sur deux injecteurs

opposés, en parallèle avec le travail expérimental, ont permis d'établir une classication

du régime de combustion ainsi que les principaux facteurs impliqués dans la formation des

NO

. Ces constatations permettent maintenant de proposer des modications de concep-

tion de la géométrie de l'injecteur an de limiter les émissions de NO

. Enn, l'eort de

simulation considérable, académiquement acceptable, ne peut être pris en considération en

tant qu'outil de design futur. Par conséquent, des améliorations destinées à accélérer le

processus de conception sont projetées.

Samenvatting

H ET controleren van vervuiling en emissies is een belangrijke factor geworden bij het ontwerp van moderne verbrandingssystemen. Het vanaf 2000 door de Europese Commissie gesteunde project Liquid Hydrogen Fueled Aircraft - System Analysis kan worden gezien als een initiatief in dit domein. In het kader van dit project ontwikkelde de Aachen University of Applied Sciences op experimentele wijze het Micromix water- stofverbrandingsprincipe en paste het met succes toe op de Honeywell APU GTPC 36-300 gasturbine. Het verlagen van de reactietemperatuur, het elimineren van hot spots uit de reactiezone en het tot een minimum herleiden van de beschikbare tijd om NO

te vor- men zijn de drijvende factoren in het bekomen van een NO

-reductie. Het Micromix waterstofverbrandingsprincipe voldoet aan deze vereisten door het minimaliseren van de vlamtemperatuur, door het werken bij kleine brandstof/lucht-mengverhoudingen, door het verbeteren van de menging via Jets in Cross-Flow en door het beperken van de verblijftijd, dankzij een aangepaste geometrie voor de verbrandingskamer, die voorziet in een zeer groot aantal heel kleine diusievlammen. In termen van uitstoot van vervuilende stoen werd, in vergelijking met een niet verbouwde APU, een substantiële vermindering vastgesteld van uitgestoten NO

, wat het potentieel van dit innovatieve principe beklemtoont.

De doelstelling van dit proefschrift is het onderzoeken van het Micromix waterstofver- brandingsprincipe, met als ultiem objectief het verbeteren van de voorspellingen gedurende het ontwerpproces. Door het complexe samenspel van chemische kinetica en stromings- dynamica, werd eerst de Micromixing geanalyseerd. Stereoscopic Particle Image Ve- locimetry werd gebruikt om inzicht te krijgen in het mengproces. Een vereenvoudigde opstelling werd gebruikt, hetgeen toeliet om de stromingskarakteristieken zeer gedetaileerd te bestuderen en terzelfdertijd dezelfde lokale eigenschappen te bewaren van de echte tegenhangers. De drijvende vortexstructuren werden aldus geïdenticeerd. Teneinde de fysische fenomenen verder te onderzoeken en de experimentele resultaten uit te breiden, werden numerieke berekeningen uitgevoerd, zowel op dezelfde vereenvoudigde opstelling als op een testcase uit de literatuur. Algemeen gesteld werden een aantal fysische vraagstukken uitgeklaard. In het bijzonder werd gekeken naar de interactie tussen de vortexstructuren, en een kinematisch consistent vortexmodel werd voorgesteld. Na het onderzoeken van het mengproces, werd de studie van de cold ow uitgebreid naar een enkele injector.

De injectorgeometrie met dubbele backward-facing step werd experimenteel en numeriek bestudeerd. Bij ontwerpopstelling van de step, bleek de stroming zich te gedragen zoals bij een enkele backward-facing step, voor wat betreft de eerste trap. In termen van ver- anderlijke conguraties, werd vastgesteld dat de stroming afhankelijk bleek te zijn van de periodieke storingen, afkomstig van de opeenvolgende reeks van backward-facing steps.

In het tweede deel van het onderzoek werd de hot ow geanalyseerd. Een testbrander

werd getest op een atmosferische proefbank, en dit bij werkingsomstandigheden verge-

lijkbaar met deze in de verbrandingskamer. De uitstoot van NO

werd opgespoord door

analyse van de uitlaatgassen bij verschillende werkingsomstandigheden. Particuliere vlam-

menpatronen werden geobserveerd, waaronder zowel een regelmatige aangehechte vlam

xx

als lifted ames. In parallel met het experimentele werk, lieten numerieke berekenin- gen op een stel van tegenover elkaar geplaatste injectoren een classicatie toe van zowel de verbrandingsregimes als de belangrijkste factoren die de NO

-vorming beïnvloeden.

Overeenkomstig werden aanpassingen an het ontwerp voorgesteld die leiden tot een verbe-

terde NO

-uitstoot. Uiteindelijk werden verbeteringen voorgesteld om het ontwerpproces

te versnellen, gezien de aanzienlijke rekenkost wel aanvaardbaar is in academische context,

doch ongeschikt voor het ontwerp in een industriële omgeving.