Til hovedinnhold
Tekst: Forsker Sigurd Sannan


Første del av stipendperioden tilbringer Sannan ved SINTEF. Neste høst reiser forskeren til California for å samarbeide tett med Alan Kerstein ved Sandia National Laboratories i Livermore. Dr. Kerstein er Distinguished Research Member på The Combustion Research Facility ved Sandia og han rangeres som en faglig verdensstjerne innen turbulent forbrenningsmodellering.

Målet for Sannan er å utvikle en hybridmodell for turbulent forbrenning, basert på en kombinasjon av forbrenningsmodellen EDC og Kersteins ODT-modell for turbulens. Det virkelig spennende er en kobling av ODT-modellen mot to- eller tre-dimensjonale formuleringer, som den eksisterende SPIDER-koden ved SINTEF/NTNU er bygget på.

Ny modell
Alan Kerstein på Sandia National Laboratories har i løpet av de siste årene utviklet en ny modell for turbulent forbrenning, som har vist lovende egenskaper i forhold til å reprodusere turbulente prosesser under ulike forhold. Kersteins modell, kalt One-Dimensional Turbulence (ODT) model, kan gi verdifull innsikt i fysiske prosesser på mikronivå der EDC og andre modeller kommer til kort. ODT-modellen er én-dimensional i betydningen at den molekylære blandingen behandles i én romlig dimensjon, og dette er noe som begrenser modellens anvendelsesområde som et frittstående verktøy.

CO2-frie metoder
Omtrent 90% av verdens energiforbruk i dag er basert på forbrenningsprosesser. Samtidig kan vi si at forbrenning av kull, olje, naturgass og annet står for 90% av all forurensing på kloden. Betydningen av forbrenningsprosesser kan derfor ikke overdrives, og modellering av turbulent forbrenning er en sentral utfordring i utviklingen av ny og miljøvennlig forbrenningsteknologi.

I dette bildet inngår blant annet gasskraftteknologi med såkalt CO2-håndtering. Det finnes i prinsippet tre metoder for å produsere elektrisk kraft fra naturgass uten å slippe CO2 ut i atmosfæren:

  • avkarbonisering før forbrenning (pre-combustion)
  • forbrenning av gassen i oksygen i stedet for luft (oxy-fuel)
  • avkarbonisering etter forbrenning (post-combustion)

Ved pre-combustion fjernes karbonet fra naturgassen og den gjenværende hydrogenrike gassen brukes til kraftproduksjon. Både pre-combustion og oxy-fuel forbrenning innebærer bruk av ukonvensjonelle blandinger av brenngass og oksydant som dagens gassturbiner ikke er utformet for. Design av nye brennkammer for gassturbiner er påkrevd for å sikre stabilitet og pålitelighet i forbrenningen, samtidig som miljøhensyn som for eksempel lave utslipp av NOx oppfylles. For hydrogenforbrenning er sikkerhetsaspektet også en viktig faktor.

Kravet til nye forbrenningsmodeller kommer inn som en viktig del av verktøyene som brukes til å utvikle teknologien for brenning av ukonvensjonelle gassblandinger. Forbrenningsmiljøet ved SINTEF/NTNU sitter fra før på designverktøyet SPIDER, som er en beregningskode for å beskrive fluiddynamiske fenomener (CFD-kode). SPIDER-programmet er utviklet i vårt miljø siden 1987, og er basert på forbrenningsmodellen EDC (Eddy Dissipation Concept) utarbeidet blant annet av Prof. Emeritus Bjørn F. Magnussen. Modellen har hatt stor internasjonal suksess og brukes i de fleste kommersielle koder for numeriske simuleringer av forbrenningsprosesser.

Utfordringer
Nye utfordringer blant annet i forbindelse med bruk av hydrogen og oxy-fuel gjør imidlertid at det er behov for å forbedre dagens forbrenningsmodeller. Det er også slik at ustabiliteter i forbrenningen oppstår når gassene brennes ved lav temperatur, noe man ønsker

å gjøre for å minske utslippene av NOx. Kontroll av forbrenningsprosessene blir derfor viktig og dette krever en fundamental forståelse av gassenes blandingsmekanismer på molekylært nivå. I denne sammenhengen er hydrogen spesielt, siden det er det letteste av alle grunnstoff. H2-molekylene beveger seg med hastigheter som er mange ganger større enn de oksyderende molekylene. Hva vi står overfor er et forbrenningsregime som er ustabilt og marginalt, og som byr på store modellutfordringer.

Til tross for omfattende forskningsinnsats over lang tid, er det å lage beregningsmodeller for turbulent forbrenning et svært utfordrende område. Dette skyldes ikke minst at fysikken er så krevende å beskrive: Bare det å beskrive turbulens og organisert kaos regnes av mange som makrofysikkens største uløste problem. I turbulent forbrenning snakker vi om å beskrive samspillet mellom turbulens og hundrevis av kjemiske reaksjoner, som tar alt fra noen nanosekunder opp mot et sekund, dvs med tidsskalaer over atskillige størrelsesordener.

Sigurd Sannan foran NTNUs nyanskaffede gassturbin til bruk i undervisningssammenheng. Foto: Jørgen Hals