CFD modelling of industrial scale gas flame with OpenFOAM software
Paulasalo, Joni (2019)
Diplomityö
2019
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201902286567
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201902286567
Tiivistelmä
In this Master’s Thesis OpenFOAM software was used to perform CFD modelling of an industrial scale gas fired process furnace. Goal was to evaluate the performance of open source tool OpenFOAM in modelling non-premixed turbulent combustion and compare the results with commercial tool ANSYS Fluent and available experimental data.
Selection of combustion simulation methods in OpenFOAM was done based on literature sources and a small scale validation case was used to evaluate the performance of different combustion and radiation models by comparing results to measurements prior to the actual process furnace simulations. Combustion solver reactingFoam was used with realizable k-ϵ turbulence model, EDC combustion model and P1 radiation model to simulate combustion inside the process furnace.
This work demonstrates that combustion models available in OpenFOAM can be used to model gaseous combustion in large-scale process furnace. Some inaccuracies were observed with mass balance, conservation of O2 at outlet, temperature level inside the domain and heat transfer to the tubes. Mass imbalance and O2 conservation were investigated with two different cases where air inlet boundary conditions were adjusted. Issues related to temperature and heat transfer were caused by the radiation model P1. Tässä diplomityössä käytettiin OpenFOAM-ohjelmistoa teollisen kokoluokan kaasukäyttöisen prosessiuunin CFD-mallinnuksessa. Tarkoituksena oli arvioida avoimen lähdekoodin ohjelmistoa OpenFOAM-ohjelmistoa esisekoittamattoman turbulentin palamisen mallinnuksessa ja verrata tuloksia kaupallisen ANSYS Fluent-ohjelmiston tuloksiin sekä saatavilla oleviin mitattuihin arvoihin.
Nykyisiä OpenFOAMin palamismallinnuksen mahdollisuuksia tutkittiin kirjallisuuskatsauksen avulla ja erilaisia palamis- sekä säteilymalleja mallinnettiin pienen mittakaavan kelpoisuustapausta ja verrattiin tuloksia mitattuihin arvoihin. ReactingFoam palamisratkaisijaa käytettiin yhdessä realizable k-ϵ turbulenssi mallin, EDC-palamismallin ja P1-säteilymallin kanssa mallintamaan palamista prosessiuunissa.
Tämä työ osoittaa, että OpenFOAMissa käytettävissä olevia palamismalleja voidaan käyttää kaasun palamisen mallinnukseen suuren kokoluokan prosessiuunissa. Joitain epätarkkuuksia havaittiin olevan massataseessa, hapen säilyvyydessä ulostulossa, lämpötilatasossa ja lämmönsiirrossa putkiin. Massataseen epätasapainoa ja hapen säilyvyyttä tutkittiin kahdella eri laskentatapauksella säätämällä ilman sisäänvirtausreunaehtoja. Lämpötilatasoon ja lämmönsiirtoon liittyvät ongelmat aiheutuivat P1-säteilymallista.
Selection of combustion simulation methods in OpenFOAM was done based on literature sources and a small scale validation case was used to evaluate the performance of different combustion and radiation models by comparing results to measurements prior to the actual process furnace simulations. Combustion solver reactingFoam was used with realizable k-ϵ turbulence model, EDC combustion model and P1 radiation model to simulate combustion inside the process furnace.
This work demonstrates that combustion models available in OpenFOAM can be used to model gaseous combustion in large-scale process furnace. Some inaccuracies were observed with mass balance, conservation of O2 at outlet, temperature level inside the domain and heat transfer to the tubes. Mass imbalance and O2 conservation were investigated with two different cases where air inlet boundary conditions were adjusted. Issues related to temperature and heat transfer were caused by the radiation model P1.
Nykyisiä OpenFOAMin palamismallinnuksen mahdollisuuksia tutkittiin kirjallisuuskatsauksen avulla ja erilaisia palamis- sekä säteilymalleja mallinnettiin pienen mittakaavan kelpoisuustapausta ja verrattiin tuloksia mitattuihin arvoihin. ReactingFoam palamisratkaisijaa käytettiin yhdessä realizable k-ϵ turbulenssi mallin, EDC-palamismallin ja P1-säteilymallin kanssa mallintamaan palamista prosessiuunissa.
Tämä työ osoittaa, että OpenFOAMissa käytettävissä olevia palamismalleja voidaan käyttää kaasun palamisen mallinnukseen suuren kokoluokan prosessiuunissa. Joitain epätarkkuuksia havaittiin olevan massataseessa, hapen säilyvyydessä ulostulossa, lämpötilatasossa ja lämmönsiirrossa putkiin. Massataseen epätasapainoa ja hapen säilyvyyttä tutkittiin kahdella eri laskentatapauksella säätämällä ilman sisäänvirtausreunaehtoja. Lämpötilatasoon ja lämmönsiirtoon liittyvät ongelmat aiheutuivat P1-säteilymallista.