Seminar III draft version1

1D CFD simulation of combustion in porous media ( Code development )

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,KingMongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand

Seminar DII

Mr. Kittipass Wasinarom : 56601049

Advisor : Assoc.Prof.Dr. Jarruwat Charoensuk

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 2

Presentation topics

บทนำ�

วตัถปุระสงค์ และ ผลท่ีค�ดว�่จะได้รบั

ฟสิกิส์ ต่�งๆโดยรวมภ�ยในโปรแกรมมท่ีพฒัน� สมก�รควบคมุ และ flow chart โปรแกรม

เง่ือนไขกรณีท่ีศึกษ�

ผลก�รทดลอง และ วจิ�รณ์

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 3

1. Presentation topics

Introduction ( porous media combustion & Gasification)

CODE development ( Big Picture )

Numerical modeling

Program flow chart detail

Boundary condition & Assigned material property

Result & Discussion

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 4

Introduction

• ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม• มวีตัถดิุบท่ีส�ม�รถใชเ้ป็นเชื้อเพลิงใหก้ับระบบ Gasification ได้กระจ�ยอยูทั่ว่ไป• มศัีกยภ�พเรื่องเชื้อเพลิง biomass สงู

• Gasification มศัีกยภ�พในก�รพฒัน�ใหไ้ด้ประสทิธภิ�พสงูกว�่ Direct combustion • ขอ้เสยีของ Gasification คือระบบ มคีว�มอ่อนไหวต่อสิง่แวดล้อมสงู และควบคมุได้ย�ก โดยเฉพ�ะในสเกลท่ีใหญ่ขึ้น• ก�รลงทนุระบบสงู โดยเฉพ�ะเมื่อต้องมรีะบบ Tar clean หรอื Tar crack

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 5

Introduction ( continue )

Design & Study method

Modeling

Experiment Fundamental

Finite kinetic

Equilibrium

Application

CFD 1D

Multi (2D,3D)

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 6

Introduction ( continue )

1D

• พฤติกรรมแก๊สซฟิเิคชัน่เป็นแบบ 1D • มกี�รไหลต�มแนวแกน• ไมม่กี�รเปล่ียนแปลงค่�คณุสมบติัต�มแนวรศัมี

• เพิม่คว�มส�ม�รถในก�รวเิคร�ะหผ์ลจ�กก�รทดลอง• เพิม่ศักยภ�พในก�รพัฒน�ระบบแก๊สซฟิเิคชัน่

CFD commercial code

• ส�ม�รถพฒัน�ต่อยอดเพื่อตอบสนองกับปัญห�เฉพ�ะแบบได้• เพิม่คว�มส�ม�รถในก�รตระหนักรูใ้นคว�มเข�้ใจพื้นฐ�นท�งฟสิกิส์• ประหยดัค่�ใชจ้�่ยเรื่องลิขสทิธิ์

CFD in-house development code

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 7

วตัถปุระสงค์ และ ผลท่ีคาดวา่จะได้รบั

วตัถปุระสงค์ เพื่อสร�้งโมเดลท่ีชว่ยในก�รศึกษ�พฤติกรรมของเต�แก๊สซฟิเิคชัน่ท่ีมผีลต่อปัจจยัต่�งๆดังน้ี• อิทธพิลของสว่นประกอบเชื้อเพลิง• อิทธพิลของสว่นประกอบอ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• อิทธพิลของปรมิ�ณอ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• อิทธพิลของอุณหภมูอิ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• อิทธพิลของก�รสญูเสยีคว�มรอ้นของเต�แก๊สซฟิเิคชัน่

ผลท่ีคาดวา่จะได้รบั เพื่อใหไ้ด้โมเดลท่ีส�ม�รถทำ�น�ยพฤติกรรมของปัจจยัต่�งๆท่ีมผีลต่อเต�แก๊สซฟิเิคชัน่ได้• ส�ม�รถท่ีจะทำ�น�ยอิทธพิลของสว่นประกอบเชื้อเพลิง• ส�ม�รถท่ีจะทำ�น�ยอิทธพิลของสว่นประกอบอ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• ส�ม�รถท่ีจะทำ�น�ยอิทธพิลของปรมิ�ณอ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• ส�ม�รถท่ีจะทำ�น�ยอิทธพิลของอุณหภมูอิ�ก�ศ หรอื ไอนำ้�• อิทธพิลของก�รสญูเสยีคว�มรอ้นของเต�แก๊สซฟิเิคชัน่

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 8

3. Code multi-physics consideration

Development flow : individual Physical sub-routine

Combustion

Solid conduction

Solid Radiation

Pyrolysis model

Fluid dynamics algorithm & mesh generation ( 2D/3D modeling )

Heat transfer between solid and fluid phase

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 9

5. Numerical modeling

5.1 Grid generation (1D-staggered grid) 5.2 Conservation Equation

• Mass• Fuel species• Energy in fluid phase • Energy in Solid phase

5.3 Source term modeling• Combustion heat release• Fuel consumption• Fluid-Solid thermal in-equilibrium

5.4 Calorific equation of state• Ideal gas assumption• Arrhenius rate

5.5 Numerical scheme (convection face property approximation) 5.6 Boundary condition

X - direction

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 10

5. Numerical modeling

5.1 Grid generation ( 1D-staggered grid)

5.2 Conservation Equation

100,000 control volumes

0.1 m X-start X(N+1)

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 11

5. Numerical modeling

5.2 Conservation equation for steady state (General form)

o Energy conservation ( Gas phase )

o Energy conservation ( Solid porous phase )

Convection Diffusion (conduction) Combustion source term Thermal in-equilibrium source

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 12

5. Numerical modeling

• Conservation equation for steady state ( General form )

o Energy conservation ( Gas phase )

- ) =

Convection Diffusion (conduction) Fuel consumption source term

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 13

6.Program flow chart

TDMA solve for Fluid temperature field

TDMA solve for Solid temperature field

TDMA solve for Fuel mass fraction field

Update source ( regard to property field )

Start

Update velocity field

OUTPUT

Special treatment• Source block • Relaxation

Convergence check ?

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 14

6.Program flow chart

TDMA solve for Fluid temperature field

Convection Diffusion (conduction) Source f(T)

Convection – Diffusion Discretization process

Numerical scheme 1st order upwind for face property estimation

Re-arrange in General form of Algebraic Equation

TDMA solve for Fluid temperature field

Update all Source term from previous solved temperature iteration

Combine source term with discretized Algebraic Equation

𝑎𝑝𝑇 𝑝=𝑎𝑤𝑇𝑤+𝑎𝐸𝑇 𝐸+𝑆𝑢

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 15

6.Program flow chart

TDMA solve for Solid temperature field

Diffusion (conduction) Source f(T)

Diffusion Discretization process

Re-arrange in General form of Algebraic Equation

TDMA solve for Solid temperature field

Update all Source term from previous solved temperature iteration

Combine source term with discretized Algebraic Equation

𝑎𝑝𝑇 𝑝=𝑎𝑤𝑇𝑤+𝑎𝐸𝑇 𝐸+𝑆𝑢

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 16

6.Program flow chart

TDMA solve for Fuel mass fraction field

Convection Diffusion (conduction) Source f(T)

Convection – Diffusion Discretization process

Numerical scheme 1st order upwind for face property estimation

Re-arrange in General form of Algebraic Equation

TDMA solve for Fluid temperature field

Update all Source term from previous solved temperature iteration

Combine source term with discretized Algebraic Equation

𝑎𝑝𝐹 𝑝=𝑎𝑤𝐹𝑤+𝑎𝐸𝐹𝐸+𝑆𝑢

- ) =

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 17

6.Program flow chart

Update source ( regard to property field )

- ) =

• Convert “ Mass fraction field “ to “ Mole fraction field “

• Convert “ Mole fraction field “ to “ concentration field “

• Calculate “ Arrhenius rate “ fuel consumption rate base on “ previous updated Temperature field “

• Calculate “ Fuel mass consumption rate field “

Fuel + Air -------- > Air

K(T) = A Exp (-Ea / Ru*T )

K(T)* concentration * MWf

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 18

6.Program flow chart

Update source ( regard to property field )

Combustion source term Thermal in-equilibrium source

• Calculate “ Combustion heat release rate field “

(Fuel consumption rate) * (Heat of combustion ) (K(T)* concentration * MWf) * Heat of combustion

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 19

6.Program flow chart

Update velocity field

o Mass conservation ( Face property )

𝑑𝑑𝑋 𝜌𝜀𝑢=0

• Update base on “ Pressure “ and “ Temperature field “ • Average for each face by average cell-center property • Calculate “ Velocity “ cell face property

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 20

8.Result : Physical realistic validation with CHEMKIN 1D CODE

Fuel

mas

s fra

ction

X-distance (m)

X-distance (m)

Tem

pera

ture

(K)

• Auto ignition using “ Strong diffusion “ heat recirculation

X-distance (m)

Heat

rele

ase

rate

(j/s

)

CHEMKIN 1D CODECHEMKIN 1D CODE

CHEMKIN 1D CODE

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang

8.Result

Inlet Outlet

x

Distance (X)

Prop

erty

- Combustion coupling With different HCfuel

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 22

Fluid temperature (Kelvin)

• ปัจจยัค่�คว�มรอ้น และคว�มเรว็ มผีลม�ก ต่อตำ�แหน่ง และ ระยะท�งก�รเกิดปฏิกรยิ�

• ท่ีคว�มเรว็ท�งเข�้ 5 m/s ใหต้ำ�แหน่งอัตร� ก�รเกิดปฏิกรยิ� ท่ีสัน้ท่ีสดุ โดยใชร้ะยะ

ประม�ณ 0.1 เมตร

• ท่ีคว�มเรว็ 10 m/s และค่�คว�มรอ้น2,000,000 KJ/Kg จะได้ตำ�แหน่งและคว�ม

ย�วปฏิกรยิ�ท่ีใกล้เคียงกันหมด โดยปฏิ กรยิ�จะสิน้สดุท่ีระยะประม�ณ 0.02 เมตร

• ปัจจยัเรื่องค่�คว�มพรุนมผีลต่อปรมิ�ตรสว่นแก๊สในก�รเกิดปฏิกรยิ�

Gas mixture temperature(Kelvin)

Distance

800,000 KJ/Kg1,000,000 KJ/Kg

2,000,000 KJ/Kg :Heating value5 m/s

Q recirculation flow ---- > Temperature gradient ( slope )

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 23

Porous media temperature (Kelvin)

• ค่�อุณหภมูขิองวสัดพุรุน มค่ี�สงูขึ้น ต�ม ระยะท�ง โดยจะมชีว่งของ Thermal non-

equilibrium อยูบ่รเิวณก่อนและหลังบรเิวณก�รเกิดปฏิกรยิ�เล็กน้อย

• หลังชว่งก�รเกิดปฏิกรยิ�เล็กน้อย พบว�่อุณหภมูขิองวสัดพุรุนปรบัตัวมค่ี�เท่�กับ

อุณหภมูแิก๊สรอ้นตลอดระยะหอ้งเผ�ไหม้Thermal equilibrium

• ก�รถ่�ยเทคว�มรอ้นภ�ยในวสัดพุรุนมี

ทิศท�ง ยอ้นกลับจ�กบรเิวณสว่นท้�ยขของปฏิกรยิ�ยอ้นกลับไปสูบ่รเิวณฐ�นจุดเริม่ต้น

ของปฏิกรยิ�

Thermal equilibrium

Q recirculation flow ---- > Temperature gradient ( slope )

Porous media temperature(Kelvin)

Distance

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 24

Kinetic rate ( Kg/s )

• ตำ�แหน่ง และ อัตร�ก�รเกิดปฏิกรยิ�

• คว�มเรว็และค่�คว�มรอ้นมผีลต่อตำ�แหน่งและอัตร�ในก�รเกิดปฏิกรยิ�

• คว�มเรว็ 5 m/s ตำ�แหน่งของปฏิกรยิ�จะอยู่ ใกล้ท�งเข�้ม�กี่สดุ เน่ืองจ�กมอัีตร�ก�รสญู

เสยีคว�มรอ้นเน่ืองจ�กก�รพัดพ�น้อยกว�่ กรณีท่ีคว�มเรว็สงูขึ้น จงึทำ�ใหส้�ม�รถรกัษ�

อุณหภมูสิงูท่ีบรเิวณท�งเข�้เอ�ไวไ้ด้

Kinetic rate (Kg/s)

Distance

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 25

Heat transfer between phase ( Porous phase )

• วสัดพุรุนได้รบัคว�มรอ้น จ�กแก๊สรอ้น ( Hot mixture ) บรเิวณสว่น

ท้�ยของก�รเกิดปฏิกรยิ�

• คว�มรอ้นถ่�ยเทยอ้นกลับผ่�นก�รนำ� คว�มรอ้นในเน้ือของแขง็

• จ�กนัน้คว�มรอ้นถกูถ่�ยเทใหก้ับ

cold mixture บรเิวณสว่นเริม่ต้นของก�รเกิดปฏิกรยิ�

Heat transfer between phase (J/s) (J/s)

Distance

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 26

General physics ( Gas porous heat transfer interaction )

• วสัดพุรุนได้รบัคว�มรอ้น จ�กแก๊สรอ้น ( Hot mixture ) บรเิวณสว่นท้�ยของก�รเกิดปฏิกรยิ�• คว�มรอ้นถ่�ยเทยอ้นกลับผ่�นก�รนำ�คว�มรอ้นในเน้ือของแขง็• จ�กนัน้คว�มรอ้นถกูถ่�ยเทใหก้ับ cold mixture บรเิวณสว่นเริม่ต้นของก�รเกิดปฏิกรยิ�

แหล่ง Heat recirculation 1.) Gas temperature gradient 2.) Heat transfer ผ่�นก�รนำ�คว�มรอ้นในเน้ือของแขง็ยอ้นกลับเข้�สูบ่รเิวณตำ�แหน่งเริม่ต้นปฏิกรยิ�

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 27

Numerical issue notes

• ปร�กฏก�รณ์ไมเ่สถียรและลู่ออก• ค่�เชื้อเพลิงติดลบบรเิวณ mesh สดุท้�ย• ก�รแกวง่ของสน�มอุณหภมูใินเฟสของแขง็ เมื่อเพิม่ก�ร couple ก�รถ่�ยเทคว�มรอ้นกับเฟสแก๊ส

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 28

การแก้ไข numerical issue

• แนวท�งแก้ไข ค่�เชื้อเพลิงติดลบบรเิวณ mesh สดุท้�ย 1.) ใช้ mesh ท่ีมคีว�มละเอียดพยีงพอในบรเิวณท่ีเชื้อเพลิงหมด 2.) เพิม่ routine ท่ีใชต้รวจสอบปรมิ�ณเชื้อเพลิง ก่อนจะ update source ในทกุๆรอบ

1.) 2.)

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang 29

การแก้ไข numerical issue

• ก�รแกวง่ของสน�มอุณหภมูใินเฟสของแขง็ เมื่อเพิม่ก�ร couple ก�รถ่�ยเทคว�มรอ้นกับเฟสแก๊ส

1.) เพิม่กระบวนก�ร Relaxation ในแต่ละรอบของก�ร couple

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang

THANK YOU