Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7178
FLUENT Simulations for
THERESA Facility
Z. Xu, A. Kotchourko, L. Krebs, W. Breitung
Abstract
Numerical calculations have been performed by using the
computer code FLUENT to simulate theoretically the flow field and the
temperature distribution in the THERESA facility, an experimental equipment simulating
a realistic waste combustor. A finite element model about the whole geometry
containing half million cells is applied in the simulations. The
eddy-dissipation model is applied to simulate the turbulent combustion
occurring in the combustor. The simulations indicate that the acute chemical
reactions of fuel/oxidant take place essentially in the first half of the
combustion chamber, and that the wall temperature of the other half decreases
owing to thermal radiations. The influence of different wall boundary
conditions of the compartment between the combustion chamber and the
post-combustion chamber on the flow field in this domain has been studied. The
computational results manifest that the change of boundary conditions does not
result in a noticeable difference in the axial temperature of the combustion
chamber. The influence of activated or deactivated cooling system is
investigated too. The numerical results show that the axial temperature
decrease caused by the cooling system does not exceed 11 K at the exit of the
combustor. The cooling effect of evaporation of the water trap is modeled also.
Calculations manifest that this factor does not decrease considerably the temperature
at the exit of the burner either. In summary, the three accounted factors do
not play key roles on the temperature distribution at the exit of the
combustion chamber.
FLUENT Simulation für
die THERESA Anlage
Zusammenfassung
Die THERESA Anlage ist
ein experimenteller Teststand, um eine realistische Abfall Verbrennung zu
simulieren. Um das Strömungsfeld und die Temperaturverteilung in der THERESA
Anlage darzustellen, wurden mit Hilfe des Rechencodes FLUENT numerische Kalkulationen
durchgeführt. In der Rechensimulation wurde für die gesamte enthaltene Geometrie
ein Finites Element Modell mit einer halben Million Zellen angelegt. Das
Eddy-Dissipationsmodell wurde zur Anwendung gebracht, um den in Erscheinung
tretenden turbulenten Abbrand im Verbrennungsraum nachzustellen. Die Simulation
stellt die heftige chemische Reaktion von Brennstoff/Oxidationsmittel dar,
welche im Wesentlichen in der ersten Hälfte des Verbrennungsraums stattfindet. Ebenso
ist hierin berücksichtigt, dass die Wandtemperatur der zweiten Brennkammerhälfte
durch thermische Abstrahlung gemindert wird. Hierbei wurde der Einfluss auf das
Strömungsfeld im Arbeitsbereich, auf Grund des Einflusses von unterschiedlichen
Grenzflächenbedingungen der angrenzenden Verbrennungskammer und der
Nachbrennkammer, untersucht. Die mittels des benannten Programms durchgeführten
Berechnungen ergaben, dass der Wechsel der Grenzflächenbedingungen sich nicht
in einer bemerkenswerten Differenz der axialen Temperatur der
Verbrennungskammer manifestiert. Ebenso wurde der Einfluss eines zugeschalteten
oder deaktivierten Kühlsystems untersucht. Die numerischen Ergebnisse zeigten,
dass auf Grund des eingesetzten Kühlsystems die axiale Temperatur einen Wert
von 11 K im Austritt der Verbrennungskammer nicht überschreitet. Im Weiteren
wurde der Kühleinfluss durch die Verdampfung am Wasserabscheider modelliert.
Die Berechnungen hierzu ergaben, dass dieser Einfluss die Temperatur am
Austritt des Brennraums nicht wesentlich absenkt. Im Gesamten lässt sich
hieraus schließen, dass die benannten drei Faktoren keine Schlüsselrolle für
die Temperaturverteilung am Austritt der Verbrennungskammer darstellen.
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