simulation of a gas turbine combustor test rig using a reactor...

56
Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry by Oleg Bosyi Master's Thesis in Power Engineering Industrial supervisor:   Dipl.-Ing. Lars Seidel LOGE GmbH, Cottbus, Germany Academic supervisor:   Prof. Dr.-Ing. F. Mauß Chair of Thermodynamics and Thermal Process Engineering, Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, Cottbus, Germany In collaboration with: Thommie Nilsson LOGE AB, Lund, Sweden Cottbus, July 2014

Upload: oleg-bosyi

Post on 30-Jun-2015

213 views

Category:

Engineering


8 download

DESCRIPTION

Use of gas turbines as one of the most effective power generation technologies has ecological concerns caused by polluting combustion products. To reduce emissions different fuel compositions are being constantly investigated and gas turbines are developed by means of experiments or less expensive numerical simulations. Combustion processes can be modeled in computational fluid dynamics (CFD) with a good accuracy but it is time consuming and rather complicated in case of detailed chemistry. To overcome this issue a processing of CFD solution can be applied for a further building of equivalent chemical reactor networks (CRN) that allow to reduce calculation times and take minor species into account. The aim of this work is to choose a proper technique of CRN set-up and apply it for engineering tasks with the software tool 'LOGEsoft ReactorNetwork'. The first part of the thesis is devoted to investigation of existing CRN approaches, CFD processing instruments and testing and improvement of the 'LOGEsoft ReactorNetwork'. That software is successfully examined on the Sandia Flame D and a parameter study of the reactor network is carried out. The second part involves mechanism validation for methane/hydrogen mixtures and development of an equivalent reactor network for the Siemens atmospheric combustion test rig that serves as an experimental facility for enhancement of the 3rd generation dry low emission burner. The obtained CRN is validated against experimental data of NOx measurements and it showed reasonable results with deviations. A parameter study and mechanism sensitivity of the model is also conducted and some ways for the future improvement are suggested.

TRANSCRIPT

Page 1: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor

Network Approach with Detailed Chemistry

by

Oleg Bosyi

Master's Thesis in Power Engineering

Industrial supervisor:   

Dipl.­Ing. Lars Seidel

LOGE GmbH, Cottbus, Germany

Academic supervisor:   

Prof. Dr.­Ing. F. Mauß

Chair of Thermodynamics and Thermal Process Engineering,

Brandenburg University of Technology Cottbus­Senftenberg, Cottbus, Germany

In collaboration with: 

Thommie Nilsson

LOGE AB, Lund, Sweden

Cottbus, July 2014

Page 2: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Abstract

Use of gas turbines as one of the most effective power generation technologies has

ecological   concerns   caused   by   polluting   combustion   products.   To   reduce   emissions

different   fuel   compositions   are   being   constantly   investigated   and   gas   turbines   are

developed by means of experiments or less expensive numerical simulations. Combustion

processes can be modeled in computational fluid dynamics (CFD) with a good accuracy

but   it   is   time   consuming   and   rather   complicated   in   case   of   detailed   chemistry.   To

overcome this issue a processing of CFD solution can be applied for a further building of

equivalent chemical reactor networks (CRN) that allow to reduce calculation times and

take minor species into account.

The aim of this work is to choose a proper technique of CRN set­up and apply it for

engineering tasks with the software tool 'LOGEsoft ReactorNetwork'.

The first part of the thesis is devoted to investigation of existing CRN approaches,

CFD   processing   instruments   and   testing   and   improvement   of   the   'LOGEsoft

ReactorNetwork'. That software is successfully examined on the Sandia Flame D and a

parameter study of the reactor network is carried out.

The second part involves mechanism validation for methane/hydrogen mixtures and

development of an equivalent reactor network for the Siemens  atmospheric combustion

test rig that serves as an experimental facility for enhancement of the 3 rd generation dry

low emission burner. The obtained CRN is validated against experimental data of NOx

measurements and it showed reasonable results with deviations. A parameter study and

mechanism sensitivity  of   the  model   is  also  conducted and some ways   for   the   future

improvement are suggested.

Keywords: gas turbine, combustion, emissions, NOx, CFD, chemical reactor, reactor

network, CRN, ERN, hydrogen­enriched.

2

Page 3: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Acknowledgment

This   thesis   is   a   final   part   of   the   Master   program   of   Power   Engineering   at

Brandenburg University of Technology Cottbus­Senftenberg. The work is carried out at

LOGE GmbH (Cottbus,  Germany)  in cooperation with LOGE AB (Lund, Sweden) and

Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT) (Finspång, Sweden).

  I  would like to thank my supervisors Dipl.­Ing. Lars Seidel and  Prof.  Dr.­Ing.  F.

Mauß for giving me such a pleasant experience and support. I also want to thank M.Sc.

Andrea Matrisciano at LOGE GmbH and M.Sc. Cathleen Perlman and Thommie Nilsson at

LOGE AB for a great help during the work.

In addition, I would like to express my appreciation of all the encourage from Dr.

Daniel Lörstad at SIT for provision of necessary data for the investigation.

Cottbus, July 2014

Oleg Bosyi

3

Page 4: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Statement of Authentication 

The author  of   this  paper  declares   that  he/she  has  prepared   the   submitted  work

himself/  herself,   unassisted  and  without  using  any  other   resources  other   than   those

indicated.   All   the   direct   or   indirect   cited   information   from  other   sources   (including

electronic  sources)  is  duly acknowledged without  exceptions.  The material,   in this or

similar form, has not been previously submitted, either in full or in part, for other exams

at this or any other academic institution. 

Place, Date  Signature 

4

Page 5: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Contents

Abstract..............................................................................................................................2

Acknowledgment................................................................................................................3

Statement of Authentication...............................................................................................4

Contents.............................................................................................................................5

List of Figures.....................................................................................................................7

List of Tables......................................................................................................................8

Nomenclature.....................................................................................................................9

Abbreviations...................................................................................................................10

1. Introduction.................................................................................................................11

1.1 Background...........................................................................................................11

1.2 Objectives of this work..........................................................................................12

1.3 LOGE AB................................................................................................................12

1.4 Siemens Industrial Turbomachinery AB.................................................................12

2. Theory..........................................................................................................................13

2.1 Gas turbine principles............................................................................................13

2.2 Combustion...........................................................................................................14

2.3 Governing equations of fluid flow and heat transfer..............................................14

2.4 Flame basic definitions..........................................................................................16

2.5 Emissions...............................................................................................................17

2.5.1 Carbon dioxide...............................................................................................18

2.5.2 Carbon Monoxide..........................................................................................18

2.5.3 Nitric Oxides..................................................................................................18

2.6 Reactor models......................................................................................................20

2.6.1 PSR ­ Perfectly Stirred Reactor.......................................................................20

2.6.2 PFR ­ Plug­Flow Reactor................................................................................21

2.6.3 PaSR – Partially Stirred Reactor.....................................................................22

2.7 Reactor network building......................................................................................23

3. Software overview........................................................................................................26

3.1 Interface and features............................................................................................26

3.2 Testing and improvement......................................................................................28

3.3 Modules data and settings.....................................................................................29

4. Sandia Flame D............................................................................................................30

4.1 Reactor network set­up. Approach 1......................................................................32

4.2 Reactor network set­up. Approach 2......................................................................36

4.2.1 Parameter study..................................................................................................39

5. Siemens atmospheric combustion test rig.....................................................................44

5

Page 6: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

5.1 Mechanism validation............................................................................................45

5.2 Reactor network set­up..........................................................................................46

5.3 Parameter study.....................................................................................................49

6. Discussion and conclusions..........................................................................................52

7. Future works................................................................................................................54

References........................................................................................................................55

6

Page 7: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

List of Figures

Figure 1. Gas turbine structure.........................................................................................13

Figure 2. Theoretical PSR.................................................................................................19

Figure 3. Theoretical PFR.................................................................................................21

Figure 4. Conceptual diagram of PaSR reactor.................................................................23

Figure 5. Flame Zone Mapping Based on CFD Result with Swirl Angle of 450 .................24

Figure 6. Schematic Layout of 6­Element CRN Model......................................................25

Figure 7. LOGEsoft ReactorNetwork main interface.........................................................26

Figure 8. Available modules.............................................................................................26

Figure 9. Example of a reactor network...........................................................................27

Figure 10. Reactor data....................................................................................................27

Figure 11. Calculation and output parameters.................................................................28

Figure 12. Reactor output................................................................................................28

Figure 13. Flame D.. .......................................................................................................30

Figure 14. Sandia Flame D validation..............................................................................31

Figure 15a. Sandia Flame D Approach 1. Principle..........................................................32

Figure 15b. Sandia Flame D Approach 1. CRN.................................................................33

Figure   16.   (a):   temperature   profile;   (b):   CH4  concentration,   linear;   (c):   CH4  conc.Logarithmic; (d): OH conc.; (e): CO2 conc.; (f): H2O conc...............................................34Figure 17. (a): CH4 concentration, linear; (b): CH4 conc. Logarithmic; (c): OH conc.; (d):CO2 conc.; (e): H2O conc..................................................................................................35

Figure 18a. Sandia Flame D Approach 2. Principle..........................................................36

Figure 18b. Sandia Flame D Approach 2. CRN.................................................................37

Figure   19.   (a):   temperature   profile;   (b):   CH4  concentration,   linear;   (c):   CH4  conc.Logarithmic; (d): OH conc.; (e): CO2 conc., (f): H2O conc...............................................38

Figure  20.   (a):   temperature  profile;   (b):  CH4  concentration;   (c):  OH conc.;   (d):  CO2

conc.; (e): H2O conc.........................................................................................................40

Figure  21.   (a):   temperature  profile;   (b):  CH4  concentration;   (c):  OH conc.;   (d):  CO2

conc.; (e): H2O conc.........................................................................................................41

Figure  22.   (a):   temperature  profile;   (b):  CH4  concentration;   (c):  OH conc.;   (d):  CO2

conc.; (e): H2O conc.........................................................................................................42

Figure 23. Schematic layout of the combustion test rig....................................................44

Figure 24. 2D model of the test rig combustion chamber.................................................45

Figure 25. (a): CH4,; (b): CO2; (c): CO; (d): H2O   concentrations vs hydrogen content inthe mixture.......................................................................................................................46

Figure 26. Velocity magnitude of the flow and schematic zones mapping........................47

Figure 27. Combustion rig chemical reactor network.......................................................47

Figure 28. Thermal NOx formation trend along the central axis......................................48

7

Page 8: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 29. (a): NOx vs hydrogen content; (b): Temperature vs hydrogen content...........48

Figure 30. (a): NOx/Temp. vs inlet mass flow rate; (b): NOx/Temp. vs inlet temperatureof the mixture..................................................................................................................50

Figure 31. (a): NOx and (b): temperature sensitivity to different reaction schemes.........51

List of Tables

Table1. Sandia Flame D flow conditions..........................................................................30

Table 2. CPU times in case of two schemes in the first approach.....................................36

Table 3. Time step size influence (Output results for reactor Nr 9).................................39

Table 4. Mechanisms CPU times......................................................................................43

Table 5. Time step size influence (Output results for outlet)...........................................49

Table 6. CPU times..........................................................................................................50

8

Page 9: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Nomenclature

ρ – mixture mass density

u  – flow velocity vector

t – time

x – spatial coordinate

g – gravitational acceleration field

p – thermodynamic pressure

I – unit tensor

σ – stress tensor

cp – specific heat

T  – temperature

λ  – thermal conductivity 

Υi  – mass fraction

ω   – molar net change rate

M – molar mass

W – molecular weight

Lei  – Lewis number of species I

m   – mass flow rate

τ – residence time

Ax  – cross­sectional flow area

C p    – mean heat capacity per unit mass of gas

Qe  – heat flux from the surroundings

ae  – area per length unit

c – concentration

τc  – chemical reaction time 

τmix – micro­mixing time

V  – reactor volume

Acell flow  – cell surface area through which the flow goes

∆t  – time step size

9

Page 10: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Abbreviations

CFD – computational fluid dynamics

CRN – chemical reactor network

ERN – equivalent reactor network

SIT – Siemens Industrial Turbomachinery

PSR – perfectly stirred reactor

PFR – plug flow reactor

PaSR – partially stirred reactor

RANS – Reynolds­averaged Navier–Stokes

U­RANS – unsteady Reynolds­averaged Navier–Stokes

CPU – central processing unit

mf – mole fraction

DLE – dry low emission

10

Page 11: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

1. Introduction

1.1 Background

One   of   the   most   important   power   generation   technologies   is   utilization   of   gas

turbines – facilities that burn gaseous fuels and convert chemical energy into electricity

and heat. However, in terms of environment safety different combustion products can be

undesirable pollutants such as COx and NOx. Gas turbines mostly operate on natural gas

as a fuel which composition can vary depending on the location it has been transported

from.  Also   it   is   essential   to   use  additives   or  diluents   in   its   composition   to   improve

combustion properties and reduce polluting emissions, for example, by blending natural

gas with hydrogen. When burning there is a very complex process of interaction between

the flow and flame, the chemical reactions depend on many factors. That leads to a need

of adequate estimation and study of the combustion process. 

An effective way to avoid expensive and time consuming full­scale experiments is

numerical   simulation.   Nowadays   it   is   possible   to   predict   the   most   important   flame

properties such as  heat  release,  velocity and main species  concentration by means of

computational fluid dynamics (CFD) with a good accuracy. However, in order to predict

minor species such as CO, NOx, SOx and so forth it is necessary to have a more detailed

view   of   fuel   chemical   composition   and   combustion   reaction   chemistry.   CFD   has

computational   limits   such   as   a   huge   time   consumption,   so   there   is   a   need   of   an

alternative approach. Use of a chemical reactor network (CRN) can be such a method. Its

concept is based on extraction of an ‘‘equivalent’’ network of ideal chemical reactors as a

simple flow model from CFD simulation that previously was performed using a simplified

kinetics mechanism on a fine grid. The resulting CRN significantly reduces computational

times to calculate minor species concentrations using detailed chemical reaction schemes.

11

Page 12: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

1.2 Objectives of this work

1.   Investigate   different   existing   approaches   of   building   up   equivalent   reactor

networks based on CFD solution.

2. Test the software 'LOGEsoft ReactorNetwork' by LOGE AB and improve it.

3. Set up a CRN for the Siemens atmospheric combustion test rig, perform parameter

studies and evaluate sensitivity to different reaction schemes.

1.3 LOGE AB

LOGE, Lund Combustion Engineering, is a software development company based in

the cities of Lund, Sweden and Cottbus, Germany. The main competence of the company

is the development of software tools used for simulating chemical processes, such as the

combustion in technical devices (engines, furnaces), or chemical processes on surfaces

(christal growth, catalysts).  The company's main simulation tool is its own software suite

LOGEsoft, which is a comprehensive solution for detailed chemical kinetics modeling of

engineering applications. [15]

1.4 Siemens Industrial Turbomachinery AB

Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT) develops, manufactures, markets and

services individual gas turbines all the way to complete power plants on a global market.

The business  comprise of  approximately 2800 employees with an annual   turnover  of

more than 1 billion EUR. The head office is located to Finspång.

SIT   supply  customers  all  over   the  world  with  various  gas   turbine   solutions.  The

turbines are characterized by low environmental impact and high efficiency. Within the

Siemens group, SIT is responsible for industrial steam turbines with power of 60­180 MW

and for gas turbines with power levels of 15­50 MW. 

SIT   gas   turbine   offering   consists   mainly   of  five  lines:   SGT­500,   SGT­600,   SGT­700,

SGT­750 and SGT­800. [1]

12

Page 13: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

2. Theory

Combustion  is a complex physical and chemical process of converting raw materials

into combustion products during exothermic reactions, accompanied by a heat release.

The chemical energy stored in the components of the original mixture can be released in

form of heat and light radiation. The luminous zone is called flame front or flame.

2.1 Gas turbine principles

Figure 1. Gas turbine structure. [2]

A gas turbine  is an engine of continuous action in which scapular device energy of

compressed and/or warm gas is transformed to mechanical work on its shaft. Burning of

fuel can occur both out of the turbine, and inside of the turbine. Basic elements of its

design are: a rotor (the working shovels fixed on disks) and a stator made in form of the

leveling device.

Gas turbines are used as parts of gas­turbine engines, stationary gas turbine units

and steam­gas  turbine  units.  A  gas   turbine  unit  consists  of   two main parts:  a  power

turbine and a generator. The stream of gas of high temperature moves the shovels of the

power turbine. Heat used by a heat exchanger or a copper­utilizator provides increase in

the general efficiency of the whole plant. Gas turbines can work both with liquid and with

13

Page 14: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

gaseous fuel: in a usual operating mode — natural gas, and in reserve (emergency) mode

— it is automatically switched to a diesel fuel.

2.2 Combustion

Three factors necessary for combustion:

­ fuel

­ oxygen

­ temperature

      Flammable mixture: fuel combined with a sufficient amount of oxygen is ignited at a 

certain temperature. The main combustible components in the fuel are: carbon (C), 

hydrogen (H2) and  mixtures formed during the combustion.

      Complete combustion, also known as stoichiometric combustion, in theory it is an 

ideal combustion process as a result of which the fuel burns completely. An example of 

complete burning can be expressed as:

CH4(g) + 2O2(g)   CO→ 2(g) + 2H2O(g)

Chemical reaction schemes, or  mechanisms, describe in a stepwise manner the exact

collisions  and events   that  are  required  for   the  conversion of   reactants   into  products.

Mechanisms achieve that goal by breaking up the overall balanced chemical equation into

a series of elementary steps. An elementary step is written to mean a single collision or

molecular vibration that results in a chemical reaction. [3]

2.3 Governing equations of fluid flow and heat transfer

If a chemically reacting flow is considered, the system at each point in space and

time is completely described by specification of pressure, density, temperature, velocity of

the flow, and concentration of each species. These properties can be changing in time and

space. The changes are the result of fluid flow (called convection), chemical reaction,

molecular   transport  (e.g.,  heat  conduction,  diffusion,  and viscosity),  and radiation.  A

mathematical description of flames therefore has to account for each of these processes.

Some   properties   in   reacting   flows   are   characterized   by   the   fact   that   they   are

conserved. Such properties are the energy, the mass, and the momentum. Summation

over  all   the  processes   that   change   the  conserved  properties  leads   to   the  conservation

equations, which describe the changes in reacting flow; accordingly, these equations are

often called the equations of change. These equations of change (an extended set of the

14

Page 15: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

so­called  Navier­Stokes   Equations)   are   the   general   starting   point   for   mathematical

descriptions   of   chemically   reacting   flows.   Because   all   systems   are   described   by   the

conservation equations, the main difference from one system to another are the boundary

conditions and physicochemical conditions. [4]

Mass conservation:

∂ ρ∂ t

+∂ ( ρu )

∂ x=0

(2.1)

Momentum conservation:

∂ ρu∂ t

+∂ ( ρuu )

∂ x=pg−

∂P∂ x ,  (2.2)

where ρ is the mixture mass density, u ­ the flow velocity vector, t ­ the time, x ­ the

spatial  coordinate,  g  ­   the gravitational acceleration field,  P  =  pI­σ   and is the stress

tensor with  p  as thermodynamic pressure,  I  ­ the unit tensor and  σ  is the stress tensor

which is calculated using Fick's Law of friction for a compressible mixture.

Mass conservation of species:

∂ (ρY i )∂ t

+∂ ( ρuY i )

∂ x= ∂

∂ x ( λLe ic p

∂Y i

∂ x )+ Ri  (2.3)

Energy conservation of species:

∂ (ρc pT )∂ t

+∂ (ρuc pT )

∂ x= ∂

∂ x ( λ ∂T∂ x )+ ∂

∂ x ( λc p∑i=1

N s

( 1Lei

−1)c p,iTY i

∂ x )−∑

i=1

N s

( hi ωiMW i

ρ+ρug+σ (∇ u )+(∂ p∂ t

+u∇ p))(2.4)

In these equations, cp is the specific heat, T  is the temperature and λ  is the thermal

conductivity of the mixture, Υi = ρi/ρ is the mass fraction, h the enthalpy,  ω  the molar

net change rate, M the molar mass, W the molecular weight, and Lei is the Lewis number

of species i.

Lewis   number   is   a   dimensionless   number   which   expresses   the   ratio   of   thermal

diffusivity ( /cλ p) to species mass diffusivity ( Dρ m,i) as: 

Lei=λ

ρDm,i c p (2.5)

where  Dm,i  is   the  mixture­averaged diffusion  coefficient.  Effects  of  Lewis  number

become substantial when the thermal and mass diffusivity of the fuel differ and Le 1≠ . [5]

15

Page 16: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

2.4 Flame basic definitions

In combustion processes, fuel and oxidizer (typically air) are mixed and burned. It is

useful to identify several combustion categories based upon whether the fuel and oxidizer

is  mixed  first  and  burned   later   (premixed)  or  whether  combustion and mixing  occur

simultaneously (nonpremixed). Each of these categories is further subdivided based on

whether the fluid flow is laminar or turbulent. 

Laminar   Premixed   Flames:  In   laminar   premixed   flames,   fuel   and   oxidizer   are

pre­mixed before combustion and the flow is laminar.

A  premixed   flame   is   said   to  be  stoichiometric,  if   fuel   (e.g.,   a  hydrocarbon)  and

oxidizer (e.g., oxygen O2) consume each other completely, forming only carbon dioxide

(CO2) and water (H2O). If there is an excess of fuel, the system is called fuel­rich, and if

there is an excess of oxygen, it is called fuel­lean.

Premixtures   of   fuel   and   air   are   characterized   by   the  air   equivalence   ratio,   ,Ф

(sometimes air number) or the reciprocal value, the fuel equivalence ratio [4]

Ф=(Fuel /Air )actual

(Fuel / Air )stoichiometric (2.6)

Accordingly, premixed combustion processes can now be divided into three groups,

­ rich combustion: Ф>1

­ stoichiometric combustion: Ф=1

­ lean combustion: Ф<1

The burning of freely burning premixed laminar flat flames can be characterized by

the  laminar burning velocity  vL  (e.g.,   in m/s); other names in the  literature are  flame

velocity or flame speed. It depends only on the mixture composition, the pressure and the

initial temperature.

Sometimes premixed flame fronts burn and propagate into a turbulent fluid flow. If

the   turbulence   intensity   is   not   too   high,   curved   laminar   premixed   flame   fronts   are

formed.  The  turbulent   flame can  then be  viewed as  an ensemble  of  many premixed

laminar flames.

The   advantage   of   premixed   combustion   is   that   much   greater   control   of   the

combustion is possible. By lean premixing (Ф<1), high temperatures are obtained and

hence   combustion   with   low   production   of   soot   and   unburned   hydrocarbons   is

accomplished. However, due to higher heat more NOx is formed.

16

Page 17: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Despite   the  advantages,  premixed combustion  is  not  widely  used because  of   the

potential for accidental collection of large volumes of premixed reactants, which could

burn in an uncontrolled explosion.

Laminar  Nonpremixed   Flames:  In   laminar  nonpremixed   flames   (laminar   diffusion

flames),  fuel and oxidizer are mixed during the combustion process itself.  The flow is

laminar. 

Turbulent Nonpremixed Flames: In this case nonpremixed flames burn in a turbulent

flow field, and for low turbulence intensities the so­called flamelet concept can be used.

Nonpremixed  flames are  mostly  used  in  industrial   furnaces  and burners.  Unless  very

sophisticated   mixing   techniques   are   used,   nonpremixed   flames   show   a   yellow

luminescence, caused by glowing soot particles formed by fuel­rich chemical reactions in

the rich domains of the nonpremixed flames. [4]

Adiabatic Flame Temperature is the flame temperature under constant pressure, with

no heat exchange and when the combustion  is  complete.  This  is   the highest  possible

flame temperature.

17

Page 18: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

2.5 Emissions

One of the driving factors in modern gas turbine design is reducing emissions, and

the combustor is the primary contributor to a gas turbine's emissions. Generally speaking,

there are five major types of emissions from gas turbine engines: smoke/soot, carbon

dioxide   (CO2),   carbon monoxide   (CO),  unburned  hydrocarbons   (UHC),   and  nitrogen

oxides (NOx , which is a sum of NO and NO2) .

2.5.1 Carbon dioxide

It is a harmful pollutant and takes place in the global warming process, it is a product

of the combustion process and is primarily mitigated by reducing fuel usage. On average,

1 kg of jet fuel burned produces 3.2 kg of CO2. Carbon dioxide emissions will continue to

drop as manufacturers make gas turbine engines more efficient.

2.5.2 Carbon Monoxide

Carbon  monoxide   is   dangerous   for   human  health   and   environment   in   terms   of

poisoning. Carbon monoxide is often formed in fuel­rich conditions, because of the lack of

adequate oxygen to produce CO2. Although, in stoichiometric or fairly lean conditions, a

high amount of CO is found due to the dissociation of CO2. In reality, CO emissions tend

to be the highest at low­load conditions. The reason might be due to:

• Deficient burning rates due to a too small equivalence ratio, or too low residence

time.

• Non­uniformity in equivalence ratio which creates spots with too lean or too rich

mixtures.

Combustion efficiency and thus CO emissions are highly influenced by engine and

combustor inlet temperatures, combustion pressure and primary­zone fuel to air ratio (or

equivalence ratio). [5]

2.5.3 Nitric Oxides

This  is a pollutant that participates in a chain reaction removing ozone from the

stratosphere, that lead to increase of ultraviolet radiation on the earth's surface.

18

Page 19: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

NOx is a common term to describe NO, NO2 and N2O. Gas turbine combustor mostly

contains NO. There are four general mechanisms of NOx formation: Thermal NOx, Prompt

NOx, N2O and Fuel NOx. 

Thermal NOx  (Zeldovich NOx):  it usually has a large concentration at temperatures

more than 1750 K. For this type there are three reactions of formation:

O + N2   NO + N→

N + O2   NO + N→

N + OH   NO + H→

Formation  of   thermal  NOx  is   largely   controlled   by   flame   temperature.  As   flame

temperature rises,  NOx  production boosts up. Nevertheless,  although temperatures are

higher   at   the   rich   side,   thermal  NO  peaks   at   the   lean   side.   This   is   because   of   the

competition between fuel and nitrogen for the available oxygen. On the lean side, there is

an excess of oxygen which can be consumed by nitrogen. On the rich side, however,

oxygen is mainly used by the fuel. [7] When the air is preheated thermal NOx is the first

NOx formation mechanism.

Prompt NOx  (Fenimore NOx): in temperature lower than 1800 K, HCN is oxidized to

NO in the flame front and prompt NOx is formed:

CH + N2   HCN + N→ 2

HCN + O2   NO + ...→

Prompt  NOx  is   important   in   fuel   rich   condition  and   is   formed   in   relatively   low

temperature (about 1000 K). [8]

Fuel NOx:  this type of NOx  is associated with the presence of N2  in the fuel and in

general is not important for gas turbines because of low nitrogen presence in natural gas

and other common fuels.

Nitrous NOx  (from  N2O):  N2O is  important in high pressure and high temperature

conditions. Emission of N2O is not significant, but it can serve as an intermediate to NOx

emissions. [9]

19

Page 20: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

2.6 Reactor models

2.6.1 PSR ­ Perfectly Stirred Reactor

Figure 2. Theoretical PSR. [10]

The  perfectly stirred reactor  is an ideal chemical reactor in which perfect mixing is

achieved inside the control volume. This means that the composition within the reactor is

everywhere the same [11]. The gas from the inlet is instantly mixed with the existing

reactor content and the composition in the outlet will be the same as in the reactor, so

called back mixing [12]. The mixture in a perfectly stirred reactor is blended with the

combustion products and heated so quickly that in passing through the chamber with a

sampling  probe   it   is  difficult   to   locate  any   regions  with   composition  or   temperature

different than in other regions. Due to intense recirculation in the chamber, no defined

directions of the flow can be distinguished either [13].

The basic equations in the PSR model are the following.

Mass conservation:

min−mout=0(2.7)

with   m   indicating the mass flow rate and indexes in and out representing the inlet

and outlet flows from the control volume, respectively.

Considering   [accumulation]  =  [generation]  + [in]   −   [out],   the  above  equation

becomes:

ωiMW iV−m (Y in,i−Y out,i)=0(2.8)

for i=1, 2, …, Ns,

where V is the volume of the reactor.

This creates Ns equations with Ns + 1 unknowns. The additional equation is obtained

from the energy balance.

Energy conservation of species:

20

Page 21: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

dTdt

=1c p [ 1τ ∑i=1

N s

Y in,i (hin,i−hi )−∑i=1

N s

( hi ωiMW i

ρ−q 'lossρu )]

(2.9)

where  

τ=ρu /m   (2.10) 

is the residence time and  

ρ=pMWmix /RT    (2.11) 

is the mixture density, and

MW mix=1/∑i=1

N s

(Υ i /MW i )   (2.12) 

is the heat loss flux. [14]

2.6.2 PFR ­ Plug­Flow Reactor

Figure 3. Theoretical PFR.

In the ideal plug­flow reactor or tube reactor no recirculation occurs and the flow is

homogeneous with respect to velocity and species concentration in a radial direction from

the axis of symmetry. The physical interpretation is that the flow is trapped in between

two membranes/pistons that move with the same velocity as the flow along the tube, thus

inhibiting any recirculation/mixing in the axial direction of the tube. [16]

There is a clear analogy to an ideal perfectly mixed mixing tube of a gas turbine

burner.   For   the  plug­flow  reactor   some assumptions   can  be  made   for   ignition  delay

applications:

• Steady state, one­dimensional flow

• Only gas­phase reactions

• Ideal gas behavior

21

Page 22: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

• Ideal frictionless flow

Applying the above simplifications the mass conservation equation can be written as:

ρudA x

dx+ρA x

dudx+uA x

dρdx

=0(2.13)

Ax is the cross­sectional flow area. The conservation of species can be formulated as

ρuA x

dY i

dx=W i ω i Ax

(2.14)

The energy equation is formulated as

ρuA x(∑i=1

N s

hidY i

dx+C p

dTdx

+ududx )=aeQe

(2.15)

C p    is   the mean heat capacity per unit  mass of gas,  Qe  the heat  flux from the

surroundings to the outer wall of the tube whose area per length unit is ae. [17]

2.6.3 PaSR – Partially Stirred Reactor

In  many   practical   combustion  devices,   e.g.,   gas   turbines,   the   characteristic   time

scales for mixing are of the same order of magnitude as the time scales for chemical

kinetics. When modeling such practical combustion devices it is important to account for

both   effects.   However   in   order   to   include   detailed   reaction   chemistry,   simplifying

assumptions   regarding   the   fluid   flow   description   are   necessary   to   avoid   excessive

computational  and storage expenses.  The partially   stirred reactor  (PaSR)  is  one such

model based on the probability density function (PDF) transport equation of the physical

quantities, assuming statistical spatial homogeneity. The model accounts for mixing and

is computationally efficient   for   large coupled chemical  reaction mechanisms  involving

many chemical species. 

The  PaSR model   can  be  derived   from  the  one  point   joint   scalar  PDF.  The  PDF

equation is solved numerically using a Monte Carlo particle method with time splitting

techniques. This method involves approximating the PDF by an ensemble of stochastic

particles, and has been successfully exploited for solving high dimensional PDF equations.

[18]

22

Page 23: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 4. Conceptual diagram of PaSR reactor (the reaction zone is painted). [19]

In the PaSR approach, a computational cell is split into two different zones: in one

zone all reactions occur, while in the other one there are no reactions (Fig. 4). Therefore,

the composition changes due to mass exchange with the reacting zone. In addition. the

reaction zone is  treated as a PSR,  in which all  reactants are assumed to be perfectly

mixed  with  each other.  This  allows   to  neglect  any  fluctuations  when calculating   the

chemical source terms. Three average concentrations are presented in the reactor, the

mean mixture concentration of the feed c0, the mixture concentration in the reaction zone

c, the mixture concentration at the exit of the reactor c1.

The  whole  combustion process   is   regarded as   two processes.   In   the  first  process

initial concentration in the reaction zone changes from c0 to c, in the second process the

reacted   mixture   (with   concentration  c)   is   mixed   with   the   un­reacted   mixture   (with

concentration c0 by turbulence), the results is the averaged concentration c1. The reaction

rate of this computational cell is determined by the fraction of the reactor in this cell. It

seems quite clear that it should be proportional to the ratio of the chemical reaction time

τc  to the total conversion time in the reactor, i.e. the sum of the micro­mixing time τmix

and reaction time τc:

κ i=τc

τ c+τmix (2.16)

The  micro­mixing   time  τmix  characterizes   the   exchange  process  between  reactant

mixture  and unburnt  mixture.  The  overall   reaction rate     ω    and  the  homogeneous

reaction rate   ω   of this computational cell have the following relationship: [20]

ci1−c i

0

dt=ωi=k i ωi

(2.17)

23

Page 24: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

2.7 Reactor network building

In this section different techniques of CFD data extraction with further equivalent

chemical reactor networks development are described. In principle, a CRN is developed

by analyzing a flow field obtained with CFD. Then regions with certain characteristics are

identified and modeled by chemical reactors, as a rule by PSRs and PFRs.

Method   1:  On   the   most   basic   level,   for   very   simple   2D   geometries   with   no

recirculating   flows,   the   streamlines   are  divided   into   several   plug   flow   reactors.   The

division is refined until no considerable change is observed in the results; or in other

words a sensitivity analysis is implemented via the number of reactors. [21]

However, this approach is not suitable for complex geometries where a combination

of recirculation zones play a big role and should be taken into account. 

Method 2:  Falcitelli  et.  al.   [22] have divided the full  combustor  into many small

perfectly stirred reactors. In this method, the flow field is broken down into many small

regions   based   on   temperature   and   composition   parameters.   The   grouping   is   done

regardless of the geometrical  properties.  The recycling flow (the flow that enters one

reactor from another) is directly taken from the CFD calculations between the adjacent

cells. As every few cells are grouped into one reactor, the network's resolution would not

be far from the CFD's resolution therefore making it easier to obtain accurate results. [21]

In case of relatively simple flows this method makes sense, nevertheless, if the flow

field is complicated and consists of thousands of cells it seems to be impossible to build

up a network manually with several hundred reactors after a  preliminary  extraction of

mass exchange and other parameters for each cell. This approach definitely needs to be

automated by using a certain code coupled with computational resources.

Method   3:  Thanh   Hao   et.   al.   [23]   have   suggested   to   analyze   the   flow   field

information in CFD in order  to determine combustion zones in the combustor.  A gas

turbine combustor can be divided into zones based on the flow velocity, temperature and

species concentration. Figure 5 displays the flame shape and flow of gas from one zone to

another.

Figure 5. Flame Zone Mapping Based on CFD Result with Swirl Angle of 450. [23]

24

Page 25: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Afterwards, the CRN has been built up and schematically shown in the Figure 6.

Figure 6. Schematic Layout of 6­Element CRN Model. [23]

The method allows to simplify complicated schemes and manually extract necessary

parameters. The authors have conducted validation of this approach on a variety of flame

modifications against experiments and a good agreement has been obtained.

25

Page 26: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

3. Software overview

3.1 Interface and features

The   software   tool   'LOGEsoft   ReactorNetwork'   developed   by   LOGE   AB   aims   for

creation of reactor networks. For all the further work in this thesis the version v1.00.006

was used. The Figure 7 shows its interface.

Figure 7. LOGEsoft ReactorNetwork main interface.

In the Figure 8 the modules available to be connected into a network are listed. The

Stochastic PSR has not been implemented yet at the time of this work.

Figure 8. Available modules.

26

Page 27: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Some modules in a bigger scale can be seen in the Figure 9. A fuel­air mixture inlet is

connected with PSRs. The mass exchange between the reactors is expressed in kg/s and

given  by   the  user.  Also,   for  each  module,  except  mixers  and   splitters,  an   initial  gas

composition   with   its   temperature   and   pressure   need   to   be   specified.   Figure   10

demonstrates what inputs a reactor has. A PSR requires specification of either volume or

residence time.  For a PFR the geometry is represented as length, diameter and surface

area.

Figure 9. Example of a reactor network.

Figure 10. Reactor data.

The user may choose what tolerance the calculation should have as well as the time

step size. The time step size does not serve for chemistry calculation but for the flow.

Output   frequency  defines   time steps   to  be  written  in  output   files.  These  options  are

shown in the Figure 11.

27

Page 28: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                                 Figure 11. Calculation and output parameters.

Figure 12. Reactor output.

As shown in the Figure 12 the output for each reactor can be seen as a function of

time.

3.2 Testing and improvement

First of all, the tool was needed to be validated before its implementation in real

cases. The main purpose of the testing was to prove that  it   is working stably and all

balances   are   kept.   An   examination   of   code   and   execution   of   that   code   in   various

environments and conditions has been conducted. After a debugging process some new

features  have  been   included   to   enhance  performance   and   extend  possibilities  of   the

product.

28

Page 29: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

3.3 Modules data and settings

All   the   chemical   reactor   networks   in   this   thesis   are   built   from  homogeneous

perfectly­stirred reactors using transient calculation. In terms of calculation simplification

it  was decided  to specify volumes since  there was no option to take residence  times

directly from the CFD.

Mass flow rates of a flow have been extracted from the CFD for each cell (and further

summarizing of the corresponding cells) with the formula:

m=ρVAcellflow (2.17)

where V is a reactor volume, Acell flow – cell surface area through which the flow goes.  

Finally, the following parameters have been specified for the reactor networks:

• flow   boundaries:   inlet   mixture   composition,   temperature   and   pressure  (keep

constant).

• mass flow rates between modules

• PSR/PFR:   volume/geometry,   initial   mixture   composition   (air   was   used),

temperature and pressure (change with time and mostly affect only on the convergence

speed).

In all schemes in this work a spark of 0.01 s long in the first PSR was applied for

ignition and a value of 1e­6 for a steady state tolerance was used. The time step size of

1e­3 seconds is treated as default and optimal for most cases but also investigated later

on.

29

Page 30: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

4. Sandia Flame D

In order to investigate the process of building up equivalent reactor networks and

find their  sensitivity  to different  parameters  the Sandia Flame D [24] was used as  a

reference. Briefly, it is a methane/air jet flame. Figure 13 shows photographs of it. 

Figure 13. Flame D (left) with Nd:YAG laser beam and close­up of the pilot flame (right).

Flow properties Main inlet Pilot Co­flowCH4 0.16 ­ ­O2 0.2 0.05 0.23N2 0.65 0.73 0.77Mixture fraction 1.0 0.27 0.0H2O ­ 0.1 ­CO2 ­ 0.12 ­Temperature, K 293.0 1880.0 293.0Pressure, atm 1 1 1Average inlet velocity, m/s(variable along radius)

55.87 13.44 1.01

Area, mm2 0.66 3.54 517.89

Table1. Sandia Flame D flow conditions.

The  experimental   set­up  has  a  main   inlet,  a  pilot   flow and  a  co­flow.  They  are

described in the Table 1.

The flame with a corresponding set of boundary conditions had been simulated by

Nilsson [25] and described in his thesis being written in parallel to this work. All flow

calculations in the Nilsson's work use the time dependent form of the RANS equations

(also known as unsteady RANS or U­RANS). Flow equations are solved using the finite

volume­based CFD software STAR­CD. [25]

30

Page 31: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 14. Sandia Flame D validation. [25]

Mechanism   with   163   species   is   used   and  described   by   Shenk   et.   al.   [26].   The

validation sample can be seen in the Figure 14. There is a good agreement between the

CFD solution and experiments, therefore the resulting flow field can serve as a trusted

reference for the further CRN development.

In   order   to   model   the   flame   with   equivalent   reactor   network   two   different

approaches have been verified and are described in the following sections.

31

Page 32: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

4.1 Reactor network set­up. Approach 1

In the first and simplest approach the reactor network is based on a sequence of

volumes   into  which   the   flame has  been  cut.  These  volumes  are  used as   volumes  of

transient PSRs in the CRN. The reaction scheme used was the same as which had been

used in STAR­CD [26]. The schematic principle and equivalent reactor network can be

seen in the Figures 15a and 15b respectively.

Figure 15a. Sandia Flame D Approach 1. Principle.

32

Page 33: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 15b. Sandia Flame D Approach 1. CRN.

Afterwards, the results from the CRN have been compared to those from the CFD

solution, where the values are taken as median of all cells in a certain corresponding part

of the flame. The comparison is shown in the Figures 16 (a­f).

               

33

Page 34: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                                    (a)                                                                          (b)

                   (c)                                                                                    (d)

                                             (e)                                                                                  (f)

Figure 16. (a): temperature profile; (b): CH4 concentration, linear; (c): CH4 conc. logarithmic; (d): OH conc.;

(e): CO2 conc.; (f): H2O conc. 

As one can see the combustion prediction in the CRN differs from CFD.  From the

residence time formula it can be explained that combustion in the CRN directly depends

on volumes chosen for the reactors and will be different according to different choice of

the flame parts' size. In order to force the CRN combustion to go the way it goes in CFD,

it was decided to use isothermal PSRs with a temperature profile from CFD, which is seen

34

Page 35: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

in the Figure 16a. In such reactors under a constant temperature mass fractions may vary.

The results are presented in the Figure 17 (a­e).

               (a)                                                                                    (b)

                                              (c)                                                                      (d)

                                                                                          (e)

Figure 17. (a): CH4 concentration, linear; (b): CH4  conc. logarithmic; (c): OH conc.; (d): CO2 conc.; (e): H2O

conc.

35

Page 36: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Scheme CPU time

Real User Sys

Default PSRs 16m 36.247s 16m 29.044s 0m 0.956s

Isothermal PSRs 3m 55.795s 3m 54.928s 0m 0.208s

Table 2. CPU times in case of two schemes in the first approach.

It is obvious, that in case of isothermal PSRs the convergence has been achieved four

times faster and the tendency of species concentrations also has become better but still

the scheme does not predict this flame well enough.

The probable reason was that the reactors had been created from non­homogeneous

parts of the flame, so that non­similar zones had been mixed.

Thus, it was decided to try another approach to take homogeneity into account.

4.2 Reactor network set­up. Approach 2

In   terms   of   specification   of   reactor   network   parameters   the   second   approach

resembles the first one. The only difference is in the principle of zones derivation which

were defined by the flame temperatures. That principle is demonstrated in the Figure

18a.

Figure 18a. Sandia Flame D Approach 2. Principle.

36

Page 37: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

In the Figure 18b an equivalent reactor network is shown.

Figure 18b. Sandia Flame D Approach 2. CRN.

Then the results were compared to CFD and shown in the Figure 19 (a­f).

    

 

37

Page 38: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

               (a)                                                                                  (b)

                                             (c)                                                                                   (d)

                  (e)                                                            (f)

Figure 19. (a): temperature profile; (b): CH4 concentration, linear; (c): CH4 conc. Logarithmic; (d): OH conc.;

(e): CO2 conc., (f): H2O conc. 

The temperature profile obtained in the CRN is very close to the one from CFD, it

means the combustion went properly and caused an obvious relatively good agreement

for   the  species   concentrations  as  well.  The  scheme has been also  tested with  use of

isothermal reactors but the results mostly did not change.

38

Page 39: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

4.2.1 Parameter study

It was decided to carry out a parameter study for the reactor network made with the

second approach to see its stability and sensitivity to various factors. The influence of

inlet temperature of main inlet and co­flow, time step size and mechanism sensitivity

have been investigated.

Time step size,  t:Δ

Time step

size, s

Reactor Nr.8 prediction CPU time

CH4, mf OH, mf CO2, mf H2O, mf T, [K] real user sys

1.0E­1 8.060055E­06 3.275011E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 0m42.918s 0m41.876s 0m0.124s

1.0E­2 8.060055E­06 3.275011E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 1m5.175s 1m1.268s 0m0.308s

1.0E­3 8.059971E­06 3.210346E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 4m14.898s 4m3.336s 0m1.076s

5.0E­4 8.060055E­06 3.275011E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 8m6.396s 7m39.196s 0m1.492s

1.0E­4 8.060055E­06 3.275011E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 35m58.561s 35m36.804s 0m6.440s 

1.0E­5 8.060055E­06 3.275011E­10 1.356732E­02 1.110755E­02 530.21 248m27.451s 247m5.132s 0m43.692s

Table 3. Time step size influence (Output results for reactor Nr 9).

With time step size of 0.1 and 0.02 the initial  spark time has been  increased  as

Δt×5     in  order  to ensure  ignition of   the mixture.  Despite   residence  times of  some

reactors are smaller and some are bigger than  t, Δ as seen in the Table 3 for the current

scheme it does not have an influence on results and the change of time step size only

between 1e­3 and 5e­4 seconds gives different values.  So,   for   the scheme with these

certain  conditions   the   time step  size  of  5e­4  seconds   leads   to   the  goal   results  while

consuming less computational time.

Inlet temperature:

Mixture temperature variety has been done in three cases and results for the main

inlet and the co­flow are shown in the Figures 20 (a­e) and 21 (a­e) respectively. For the

main inlet the next cases are used: Case 1: Tmain inlet = 293 K; Case 2: Tmain inlet = 350 K;

Case 3: Tmain inlet = 410 K.

39

Page 40: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                              (a)                                                                                     (b) 

                                            (c)                                                             (d)

       (e) 

Figure 20. (a): temperature profile; (b): CH4 concentration; (c): OH conc.; (d): CO2 conc.; (e): H2O conc. 

No obvious  difference   for   the combustion behavior  can be  seen.  For   the  co­flow

temperature the following cases are used: Case 1: Tco­flow = 293 K; Case 2: Tco­flow = 350 K;

Case 3: Tco­flow = 410 K;

40

Page 41: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                (a)                                                                                   (b) 

      (c)                                                                                  (d)

      (e)

Figure 21. (a): temperature profile; (b): CH4 concentration; (c): OH conc.; (d): CO2 conc.; (e): H2O conc. 

Increase   of   co­flow   temperature   causes   a   higher   final   flame   temperature   that

logically reduces amount of methane and enlarges OH; concentration of the other species

did not change that much.

41

Page 42: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Mechanism sensitivity:

For this research the following mechanisms have been chosen for comparison with

the previous results: LOGEfuel C4 v1.0 with 235 species, Reduced Methane Mech. with

28 species and Optimized Methane Mech. with 20 species, all developed by LOGE AB.

Their performance can be seen in the Figure 22 (a­e). Also, in the Table 4 computational

times of the mechanisms are summarized.

            (a)                                                                                      (b)             

                                         (c)                                                                                         (d)

      (e)

Figure 22. (a): temperature profile; (b): CH4 concentration; (c): OH conc.; (d): CO2 conc.; (e): H2O conc.

42

Page 43: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Mechanism CPU timereal user sys

Shenk et. al. [26] 4m 14.898s 4m 3.336s 0m 1.076sLOGEfuel C4 v1.0 6m 24.935s 6m 17.832s 0m 0.800s

Reduced Methane 0m 10.796s 0m 10.548s 0m 0.136s

Optimized Methane 0m 5.729s 0m 4.816s 0m 0.092s

Table 4. Mechanisms CPU times.

As we can see from the plots the Optimized mechanism is the most beneficial one in

terms of computational time and rather good prediction.

In conclusion,  it  can be stated that the second approach is sufficiently enough to

simulate the flame in terms of time costs and accuracy. However, in order to decrease the

deviation the zones should also be splitted into more reactors  to take  into account a

variety of mass flows within the flame, this process is just a matter of time. The current

scheme has demonstrated  that   the software   tool  performs properly  giving  reasonable

results, so it can be applied to other engineering problems.

43

Page 44: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

5. Siemens atmospheric combustion test rig

Siemens   Industrial   Turbomachinery   manufactures   the   SGT­800   that   is   the   third

generation dry low emission (DLE) gas turbine. For experimental studies of the burner an

atmospheric combustion test rig situated in Finspång, Sweden, has been built. A detailed

description of the rig can be found in [27]. A schematic setup is presented in the Figure

23.

Figure 23. Schematic layout of the combustion test rig. [28]

CFD computations on the burner have been performed by Nilsson [25] in STAR­CD

using two different 2D meshes provided by Siemens. These meshes do not include the

mixing chamber and the swirl  cone upstream of  the burner;  instead the velocity and

turbulence profiles used at the inlet were taken from previous 3D calculations preformed

by   Bruneflod   [29],   which   included   those   features.   The   chemical   composition   and

temperature at the inlet are computed based on reported mass flow rates of fuel and air

into the mixing chamber.  [25] The 2D model  imported  in STAR­CD  is  shown in  the

Figure 24. 

44

Page 45: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 24. 2D model of the test rig combustion chamber.

5.1 Mechanism validation

Gas   turbine   simulation   is   a   complicated  engineering   task  and  has   to  be   treated

accordingly. First, in order to start modeling of combustion processes in the rig and trust

results, the most important component should be examined – a reaction scheme. Four

mechanisms were chosen to be tested: 

• GRI3.0 with 53 species [30]

• Ranzi et. al. mechanism with 114 species, described in [31]

• Optimized mechanism.

• Reduced mechanism.

As   the   corresponding   experimental   data   the   work   of   Le   Cong   et.   al.   [32]   on

investigation of methane/hydrogen blends oxidation at atmospheric pressure in a PSR

was chosen. All the four mechanisms have been tested and validated as shown in the

Figures 25(a­d).

    

45

Page 46: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                                  (a)                                                          (b)

                 (c)                                                         (d)

Figure 25. (a): CH4,; (b): CO2; (c): CO; (d): H2O  concentrations vs hydrogen content in the mixture.

As it seen from the plots above the mechanisms Reduced, Optimized  and one  by

Ranzi et. al. show a rather good agreement with experiments. The Optimized mechanism

is the most beneficial in terms of computational times and accurate prediction, whereas

the GRI3.0 has the worst trends. However, since there was no experimental data for NOx

measurements   in   that   PSR   case,   all   the   four   mechanisms   are   still   interesting   for

combustion and emission simulation under gas turbine conditions.

5.2 Reactor network set­up

A reactor network for  the rig has been developed according to the third method

described  in the Section 2.7.  Only a  cold­flow solution from [25] was available.  The

processing of the CFD results was based on determination of recirculation zones which

are shown in the Figure 26. 

46

Page 47: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Figure 26. Velocity magnitude of the flow and schematic zones mapping.

All data required for reactors has been extracted in a similar way it had been done

for the Sandia flame described in the Section 4.1. In the Figure 27 an equivalent CRN is

given. The reactors represent the flame zones as following: PSRs 1 – dome recirculation,

2 – main flame, 3 – immediate post flame, 4 – main recirculation. Reactors 5 and 6 are

PFRs and they model post flame zone and dilution zone respectively. 

Figure 27. Combustion rig chemical reactor network.

The experiments had been carried out using natural gas as a fuel whereas in this

work it was replaced by methane, since the composition of corresponding natural gas was

not known. For the first simulation the mechanism Optimized M. with included thermal

NOx  (Zeldovich  reactions)  chemistry.  That NOx  part  had been taken from the GRI3.0

mechanism. Referring to the section 2.5.3 such a decision was made based on neglection

of a relatively small input of prompt NOx  into the whole picture at high temperatures,

whereas   thermal  NOx  plays   the  most   important   role.  Moreover,  prompt  NOx  strongly

depends on CH­radicals and should better be ignored for simplification. The resulting

mechanism   had   23   species.  Outlet   temperature   and   NOx  concentration   have   been

compared to experimental data and plotted below. In the Figure 28 NOx  concentration

47

Page 48: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

from the CRN along the central horizontal axis of the rig starting from inlet is given. Due

to confidential reasons all the values are scaled.

Figure 28. Thermal NOx formation trend along the central axis.

The trend shows that the amount of NOx quickly increases in the flame zone, shortly

drops afterwards and slightly forms through the rest part of the combustion chamber.

According to the experimental data provided by Siemens the CRN has been tested

with   corresponding   conditions.   The   following   Figures   29a   and   29b   compare   NOx

concentrations   and   temperatures   obtained   in   the   reactor   network   and   compared   to

experimental values for five cases differed by hydrogen content in the fuel mixture.

                                   (a)                                                           (b)

Figure 29. (a): NOx vs hydrogen content; (b): Temperature vs hydrogen content.

Based on the theory previously written and the last two plots above it can be stated

that the NOx formation process mainly depends on temperature. The combustion test rig

CRN   captures   a   correct   trend   of   such   a   dependency   but   not   absolute   values.

Temperatures reached in the reactor network with no hydrogen in the mixture are about

48

Page 49: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

30 K lower than the experimental, therefore NOx values do not meet logically. Probable

reasons of those deviations will be discussed in the discussion part later on. Anyway, from

the plots we see that with higher temperatures the NOx agreement is better, which can be

explained by its formation mechanisms described in the Section 2.5.3.

5.3 Parameter study

The   aim   of   this   parameter   study   was   to   estimate   prediction   under   different

conditions and also see the reactor network sensitivity to other reaction schemes.

Time step size:

Time stepsize, s

Outlet, scaled values [­] CPU time

T CH4 CO CO2 OH NOx real user sys

1.00E­01 104.10900 0.73720 0.96908 0.99308 1.05817 0.98963 0m 30.450s 0m 29.440s 0m0.060s

1.00E­02 104.10900 0.73720 0.96908 0.99308 1.05817 0.98963 0m 20.433s 0m 19.792s 0m 0.048s

5.00E­03 104.09306 1.12110 0.96627 0.99308 1.05638 1.00188 0m 21.554s 0m 19.608s 0m 0.056s

1.00E­03 104.09306 1.12110 0.96627 0.99308 1.05638 1.00187 0m 48.125s 0m 46.964s 0m 0.064s

1.00E­04 104.09306 1.12110 0.96627 0.99308 1.05638 1.00187 6m 52.969s 6m 21.004s 0m0.820s

1.00E­05 104.09306 1.12110 0.96627 0.99308 1.05638 1.00187 54m 58.149s 54m 25.140s 0m2.210s

Table 5. Time step size influence (Output results for outlet). 

Based on results given in the Table 5 for the current reactor network at time step size

of between 0.005 and 0.001 the values stop changing and further reduction of time step

does not improve the accuracy, thus for this scheme the optimal time step size is 5e­3

seconds, since it takes less CPU time and leads to the goal results.

In the Figures 30a and 30b the dependency of NOx concentration and temperature of

the flow on the mixture inlet velocity and temperature is shown. 

49

Page 50: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                                            (a)                                                            (b)

Figure 30. (a): NOx/Temp. vs inlet mass flow rate; (b): NOx/Temp. vs inlet temperature of the mixture.

Apparently, the faster mixture comes to the burner, the lower values of temperature

and NOx  amount   the  flow will  have after  combustion.  Also,  a  higher   temperature of

incoming mixture leads to higher flame temperatures and, as it was mentioned before,

leads to more intensive NOx production. 

Mechanism sensitivity:

In the Figures 31a and 31b we can see sensitivity of  this scheme to four chosen

mechanisms, using methane with no hydrogen content as a fuel. The reaction schemes

are:   Optimized   mechanism+Thermal   NOx,   Reduced+Thermal   NOx  (modified

analogically)   with   31   species,   Ranzi   et.   al.   and   GRI3.0.   The   Table   6   shows   the

mechanisms computational time consumed for the simulation.

MechanismCPU time

real user sys

Optimized M. + T. NOx 0m 48.125s 0m 46.964s 0m 0.064s

Reduced M. + T. NOx 1m 33.210s 1m 28.300s 0m 0.184s

GRI3.0 [30] 3m 49.907s 3m 46.604s 0m 0.324s

Ranzi et. al.  [31] 12m 44.989s 12m 42.288s 0m 0.260s

Table 6. CPU times. 

             

50

Page 51: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

                                  (a)                                                              (b)

Figure 31. (a): NOx and (b): temperature sensitivity to different reaction schemes.

In comparison to bigger mechanisms, as shown before, the Optimized+Thermal NOx

mechaninism gives higher temperatures and lower NOx emissions and is still closer to the

measured data. Its performance is also better in terms of computational time. That all

proves its ability to be used as reaction scheme for the further CRN development of the

combustion test rig. 

Also, it is worth to notice that the detailed reaction schemes do not influe so much on

the final temperature (<10 K difference), as on the NOx  formation, so its prediction is

directly dependent on the NOx chemistry of a mechanism.

51

Page 52: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

6. Discussion and conclusions

In   this   thesis   different   techniques   of   a   chemical   reactor   network   set­up   were

investigated. An in­house software tool 'LOGEsoft Reactor Network' was tested, improved

and  applied   to   two cases   in  order   to   see   its  performance   for  emission  prediction   in

parallel to low computational costs. 

The   first   case  was  modeling  of   the  Sandia  Flame D based on   its  validated CFD

solution. The CRN development has been tried with two approaches: splitting the flame

by 'disks' in series and determination of homogeneous zones by temperature. The results

were far not accurate in the first approach since non­homogeneous parts of the flame had

been represented by PSRs where a perfect mixing occurs and combustion went other way.

In order to force the combustion process resemble CFD, isothermal PSRs with the CFD

temperature field were used. The results became better and trends got more reasonable

but still the solution was incorrect. In the second approach a resulting CRN temperature

profile nearly repeated the one from CFD. It meant the combustion behavior went right

way, so the outcome for species concentrations was also in a good agreement with CFD.

However, in order to decrease the deviation the zones should have been splitted into a

bigger number of reactors in order to take into account different mass flow rates which

vary along radius and height. The scheme has shown that the software tool performs

properly, the results are reasonable and it can be applied to other engineering problems.

The   second   case  has  pictured   such  a   problem.  As   it  was  mentioned  before  gas

turbines  are being constantly  evolved  in terms of  emissions reduction and simulation

tools   are   in   charge   to   avoid   real­scale   experiments.   An   experimental   atmospheric

combustion test  rig by SIT,  which serves  for   investigation of DLE burner  used  in the

SGT­800 turbine, was modeled in CFD with a subsequent data extraction. The equivalent

reactor   network  has   been  built   based  on   recirculation   zones   of   the   'cold'   flow.  The

outcome captured the main trends but not absolute values. Firstly, it might be caused by

different heat release when burning methane whereas for the experiments natural gas

was used.  Secondly, for the hydrogen cases during the experiments by adjusting mass

flow the temperature has been aimed to be the same, while in the CRN the flow does not

change and  thereafter  deviations of temperature are bigger.  Thirdly, a  subjective factor

that  is  expressed  in manual data extraction with some essential  deviations  should be

noticed. Also, of course, the reactor network had been built upon a 'cold­flow' solution

which may differ from a  'hot'  one.  In this work the  'cold­flow'  was a single available

picture of how the flame would look like and the corresponding ERN could not capture

the flame field for the hydrogen cases properly. 

52

Page 53: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

Nevertheless, the resulting values are reasonable in comparison to experimental data

that proves a suitability of such a scheme to be developed onward. A way of improvement

might be a more detailed zone mapping of the flame and accurate and full extraction of

mass flows and other interactions between the zones. It is rather complicated and time

consuming when this work is carried out by hand, that is why automation of the process

by use of computational sources is absolutely rational.

53

Page 54: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

7. Future works

The current reactor network method needs to be used for further development, in

particular by means of two major features: using CFD 'hot­flow' solutions (for hydrogen

cases also desirable) and implementation of automatic instruments for data extraction. 

As an alternative approach partially­stirred (stochastic) reactors should be tested to

take turbulent effects on the flow into account for a better simulation of flames under gas

turbine conditions.

Despite the most frequently used above mechanism showed a good performance, its

NOx chemistry  has to be also further improved.

In   addition,   more   experimental   investigations   are   highly   desirable   as   well   as

application of the reactor network to other similar gas turbine combustor modifications.

54

Page 55: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

References

1. http://www.setatwork.eu/database/actors/A397.htm

2. ge­flexibility.com/static/global­multimedia/flexibility/photos/how­gt­work­lg.jpg

3. www.sparknotes.com/chemistry/kinetics/mechanisms/section1.html

4. Warnatz, J. et. al., Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and

Simulation,  Experiments,  Pollutant  Formation.  4th  ed.  Springer  Berlin  Heidelberg  New

York, 2006

5.   Sepideh,   S.M.,  Network  Modeling   Application   to   Laminar   Flame  Speed   and   NOx

Prediction in Industrial Gas Turbines. Master's thesis, Linköping University, 2013

6. http://en.wikipedia.org/wiki/Combustor

7.   Lefebvre,   A.H.   and   Ballal,   D.R.   Gas   Turbine   Combustion:   Alternative   Fuels   and

Emissions. Third Edition. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010.

8.   Al­Fawas,   A.D.,   Dearden,   L.M.,   Hedley,   J.T.,   Missaghi,   M.,   Pourkashanian,   M.,

Williams, A. and Yap, L.T., NOx Formation in Geometrically Scaled Gas – Fired industrial

Burners.  25th   Symposium   (International)   Combustion,   The   Combustion   Institute,

Pittsburgh, 1994.

9. Hamedi,  N.,  Numerical  Study of  NOx and Flame Shape of  a DLE Burner.  Master's

thesis, Linköping University, 2012

10. http://www.maidhof.com/img/psr.gif

11. Turns, S.R., An introduction to Combustion, 1993

12. Andersson, S., Förbränningsteknik, 1996

13. Chomiak, J., Combustion: A study in theory, fact and application, 1990

14. Tillmark, C., Kinetic study of combustion behavior in a gas turbine ­ influence from

varying natural gas composition. Lund Institute of Technology, Lund University, 2006.

15. http://www.loge.se/Company/company.html

16. Schmidt, L.D., “The Engineering of Chemical Reactions”. New York: Oxford University

Press, 1998.

17.  Daniel,   J.,  Combustion Characteristics  of  MCV/LCV Fuel   ­  A Numerical  Chemical

Kinetic  Study at  Gas Turbine Conditions.  Master's   thesis,  Lund Institute of  Technology,

Lund University, 2007.

18. Bhave, A. and Kraft,  M.,  Partially Stirred Reactor Model: Analytical Solutions and

Numerical Convergence Study of PDF/Monte Carlo Method. Cambridge Centre for

Computational Chemical Engineering, University of Cambridge, 2002.

19. Hua, W., Yong­chang, L., Ming­rui, W., Yu­sheng, Z., “Multidimensional modeling of

Dimethyl   Ether   (DME)   spray   combustion   in   DI   diesel   engine”.  Journal   of   Zhejiang

University SCIENCE, 2005.

55

Page 56: Simulation of a Gas Turbine Combustor Test Rig using a Reactor Network Approach with Detailed Chemistry

20.  Hallaji,   M.   and   Mazaheri,   K.,  Numerical   simulation   of   turbulent   non­premixed

combustion in diluted hot coflow using PaSR combustion model.  Combustion Institute,

MCS 7, 2011.

21.   Ghazi­Hesami,   S.,   Cost   Effective   Emissions   and   Minor   Species   Predictions   via

Coupling   of  Computational   Fluid  Dynamics   and  Chemical  Reactor  Network  Analysis.

Master's thesis, Concordia University Montreal, 2009. 

22. Falcitelli, M., Tognotti, L., Pasini, S., An Algorithm for Extracting Chemical Reactor

Network Models   from CFD Simulation of   Industrial  Combustion Systems.  Combustion

Science and Technology, 2002.

23. Thanh Hao, N. and Jungkyu, P., CRN Application to Predict the NOx Emissions for

Industrial Combustion Chamber. Asian Journal of Applied Science and Engineering, Volume

2, No 2, 2013.

24. http://www.sandia.gov/TNF/DataArch/FlameD.html

25.  Nilsson,  T.,  Development  of  a  model   for  gas   turbine  combustion.  Master's   thesis,

Combustion physics, Lund University (to be published later).

26. Schenk, M., Moshammer, K., Oßwald, P., Kohse­Höinghaus, K., Leon, L., Seidel, L.,

Mauss, F., and Zeuch, T., Detailed mass spectrometric and modeling study of isomeric

butene flames. Combustion and Flame, 160(3), 2013.

27. Lindholm, A., Lörstad, D., Magnusson, P., Andersson, P. and Larsson, T., Combustion

stability and emissions in a lean premixed industrial gas turbine burner due to changes in

the fuel profile. ASME paper GT2009­59409, 2009.

28. Lörstad, D., Lindholm, A., Larfeldt, J., Lantz, A., Collin, R., Aldén, M., Investigation of

hydrogen  enriched  natural  gas   flames   in  a  SGT­700/800  burner  using  OH PLIF  and

chemiluminescence imaging. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2014.

29. Bruneflod, S., Flow simulations of an axisymmetric two­dimensional 3:rd generation

DLE burner,  Master's   thesis.  Department  of  Applied Physics  and Mechanical  Engineering

Division of Fluid Mechanics, Luleå University of Technology, 2010.

30. http://www.me.berkeley.edu/gri­mech/version30/text30.html

31.

http://creckmodeling.chem.polimi.it/index.php/current­version­november­2013/c1c3­me

chanism

32. Le Cong, T., Dagaut, P., Oxidation of H2/CO2 mixtures and effect of hydrogen initial

concentration   on   the   combustion   of  CH4   and   CH4/CO2   mixtures:   Experiments   and

modeling. Proceedings of the Combustion Institute 32, 2009.

56