Simulation of a Reacting Hydrogen Jet in Air Cross-Flow: Analysis of Inter-jet Spacing Impact in Gas Turbine Design

Technische Samenvatting: Simulatie van een reagerende waterstofstraal in een lucht dwarsstroom: Analyse van de impact van inter-straalafstand op gas turbine ontwerp

Probleemstelling en Motivatie
Waterstof wordt steeds vaker nagestreefd als een koolstofarme brandstof voor gasturbines, met name voor het retrofitten van bestaande aardgasinfrastructuur. Waterstofverbranding brengt echter andere uitdagingen met zich mee vergeleken met koolwaterstofbrandstoffen, waaronder een hoge verbrandingssnelheid, sterke moleculaire diffusiviteit en verhoogde adiabatische vlamtemperaturen, wat de risico's op terugslag (flashback), vlaminstabiliteit en excessieve wandthermische belasting vergroot. Daarom leggen moderne strategieën de nadruk op menging en vlamplaatsing op injectorniveau, specifiek door middel van "micromix" verbrandingsconcepten.

Hoewel de "jet in cross-flow" (JICF) een canonieke configuratie is voor het bestuderen van brandstofinjectie, maken praktische verbrandingskamers gebruik van arrays van injectoren in plaats van geïsoleerde stralen. Eerdere literatuur heeft vastgesteld dat de afstand tussen injectoren de menging en penetratie in begrensde dwarsstromen beïnvloedt. Er blijft echter een gat bestaan in het isoleren van de specifieke impact van de inter-straalafstand op prestatieparameters binnen een waterstofgestuurde micromix-verbrandingsomgeving. Deze studie adresseert dat gat door te onderzoeken hoe de inter-straalafstand de stromingsorganisatie, mengings-chemische interacties en ontwerp-relevante prestatieparameters in een turbulente reagerende waterstofstraal modificeert.

Methodologie
De auteurs voerden hoog-resolutie numerieke simulaties uit van een reagerende waterstofstraal die uitstroomt in een hete lucht dwarsstroom. De studie maakte gebruik van de PlasCom2 CFD-code, die een high-order eindige-verschil discretisatie toepast op overset, curvilinaire coördinaten. De simulaties losten de samendrukbare Navier-Stokes vergelijkingen op, gekoppeld aan soorttransport en energievergelijkingen, gebruikmakend van een gereduceerd 9-species, 12-reactie waterstof-lucht mechanisme. Er werd geen Reynolds-gemiddelde turbulentiemodel of expliciete subgrid-sluiting toegepast; in plaats daarvan vertrouwden de simulaties op het direct oplossen van onstabiele snelheid- en scalairvelden.

• Configuratie: Een waterstofstraal met een diameter van 1,27 mm ($Re = 2.610$, $Ma = 0,16$) geïnjecteerd in een hete lucht dwarsstroom ($T = 700$ K, $U = 85,66$ m/s, $Ma = 0,17$) bij 1 atm. De momentumfluxratio was $J = 1,13$.
• Randvoorwaarden: Periodieke spanwise randvoorwaarden werden gebruikt om een inline injectorrij te modelleren. De breedte van het spanwise domein werd gevarieerd om te dienen als een gecontroleerde surrogaat voor veranderende inter-straalafstand ($l_{sp}$).
• Parametrische Studie: Vijf afstandscases werden gesimuleerd, variërend van $2D$ tot $10D$ (waarbij $D$ de straaldiameter is), met $6D$ als baseline.
• Mesh Strategie: Een twee-fasen mesh-aanpak werd gehanteerd. Een initialisatie-mesh ($G_I$) ontwikkelde de bulk reagerende stroming, gevolgd door interpolatie naar een sterk verfijnde productiemesh ($G_P$) voor het verzamelen van tijdgemiddelde statistieken.
• Quantities of Interest (QIs): Drie ontwerpgeoriënteerde metrieken werden geanalyseerd binnen de primaire analyse-regio ($x/D \le 12$):
  1. Downstream onverbrande waterstof doorvoer: Genormaliseerde massastroomratio van onverbrande waterstof bij de uitlaat.
  2. Wand warmteoverdrachtssnelheid: Oppervlakte-gemiddelde warmteflux naar de verbrandingskamerwand.
  3. Bulk temperatuurconcentratie: Een metriek ($\|T\|_2 / \|T\|_1$) die de ruimtelijke lokalisatie van hoogtemperatuurregio's reflecteert.

Belangrijkste Resultaten en Bevindingen

1. Stromingsorganisatie en Blokkeringseffecten:
   Inter-straalafstand moduleert de coherentie van vortische structuren significant. Nauwe afstand ($2D$) leidt tot een compact, coherent vortisch veld dat verder stroomafarts standhoudt. In contrast hiermee zorgt een grotere afstand voor een eerdere afbraak van coherente structuren.
   Cruciaal is dat de afstand fungeert als een controle op de lokale dwarsstroomsnelheid. Nauwe afstand creëert een blokkeringseffect, waardoor de nabij-veld dwarsstroomsnelheid met ongeveer 15% versnelt ten opzichte van de vrije stroom. Deze versnelling vermindert de lokale jet-to-cross-flow snelheidratio ($R_l$). Omgekeerd vermindert grotere afstand deze blokkering, waardoor de dwarsstroom dichter bij de vrije stroomcondities blijft.

2. Impact op Verbranding en Menging:

• Onverbrande Waterstof: De nauwste afstand ($2D$) resulteerde in de hoogste onverbrande waterstof doorvoer (ongeveer 16% hoger dan de volgende case). De door blokkering veroorzaakte versnelling transporteert brandstof sneller stroomafwaarts, wat de verblijftijd voor consumptie binnen het controlevolume vermindert.
• Wand Warmteoverdracht: Nauwe afstand ($2D$ en $4D$) verhoogde over het algemeen de nabij-wand thermische belasting. De minimale tijdgemiddelde wand warmteoverdracht werd waargenomen bij $8D$.
• Temperatuurverdeling: Nauwe afstand bevorderde een meer geconcentreerd thermisch veld (hogere bulk temperatuurconcentratie metriek), terwijl grotere afstand een meer diffuse distributie opleverde.

3. Gevoeligheid voor Perturbaties:
   De studie analyseerde de respons van het systeem op het verwijderen van een ontstekingshulp (een transiënte verstoring). Terwijl nauwe afstand laterale deflecties onderdrukte, vertoonden intermediaire- tot brede afstand ($6D$ en $10D$) een verhoogde gevoeligheid. Specifiek ontwikkelden deze gevallen een aanhoudende, persistente spanwise offset (laterale bias) in de nabij-wand wake na de verstoring. Dit gedrag is gekoppeld aan de gemodificeerde lokale snelheidratio, die de stroming in een regime plaatst waar antisymmetrische wake-modi instabiel zijn.

4. Optimale Afstand Trade-off:
   Het prestatielandschap is niet-monotoon. De nauwste afstand ($2D$) was ongunstig vanwege de hoge onverbrande brandstof, hoge wand warmteoverdracht en geconcentreerde thermische velden. De breedste afstand ($10D$) introduceerde opnieuw nadelen met betrekking tot onverbrande brandstof en wand warmteoverdracht, terwijl het een hoge gevoeligheid voor perturbaties introduceerde.
   De studie identificeert $8D$ afstand als de optimale compromis. Deze configuratie minimaliseerde zowel de downstream onverbrande waterstof doorvoer als de wand warmteoverdracht, terwijl een lage bulk temperatuurconcentratie metriek werd behouden.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de specifieke rol van de inter-straalafstand te isoleren en te interpreteren in een turbulente reagerende waterstofstraal, een variabele die vaak ingebed is binnen bredere branderconcepten. De primaire bijdrage is de identificatie van twee gelijktijdige mechanismen waarmee afstand de prestaties wijzigt:

1. Transport Controle: Nauwe afstand verhoogt de blokkering, waardoor de dwarsstroom versnelt en de lokale snelheidratio vermindert, wat de brandstofconsumptie vertraagt en de onverbrande doorvoer verhoogt.
2. Wake Receptiviteit: Grotere afstand verhoogt de gevoeligheid voor perturbaties, wat leidt tot persistente laterale wake-deflecties.

De auteurs concluderen dat voor waterstof-retrofit toepassingen die gebruikmaken van micromix injectoren, intermediaire- tot brede afstand (specifiek rond $8D$) de beste afweging biedt tussen het minimaliseren van onverbrande brandstof, het beheren van de wand thermische belasting en het handhaven van de stromingsstabiliteit tegen transiënte verstoringen. De studie valideert een twee-fasen mesh-strategie als een praktische aanpak voor het oplossen van deze complexe thermochemische interacties terwijl de computationele kosten beheersbaar blijven.