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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