Til hovedinnhold
Numerisk behandling av turbulente forbrenningsprosesser
Relaterte tema

Publisert 1. desember 2010

Motivasjonen for doktorgradsarbeidet til Torleif Weydahl med tittelen ”A Framework for Mixing-Reaction Closure with the Linear Eddy Model” har vært å utvikle modeller som kan være med å løse utfordringer knyttet til blant annet hydrogenforbrenning.


Tekst: forsker Sigurd Sannan og seniorforsker Mario Ditaranto

Stabil forbrenning av hydrogen er en av de største utfordringene i den klimavennlige kraftprosessen ”pre-combustion”, der karbon blir bundet opp til CO2 og fjernet før forbrenningen. Dette er relatert til fenomener som selvantenning og flammestabilitet.

I kommersiell design av nye og forbedrede brennkammer er dataprogram som beregner strømninger, såkalte CFD-verktøy, i utstrakt bruk. Disse verktøyene har implementert avanserte modeller for turbulent strømning og kjemiske reaksjoner og koblingen mellom disse. Selv om ligningene er kjent, er det ikke mulig å regne på slike brennkammer i full detalj, det vil si de minste turbulensvirvlene -rett og slett fordi det verken nå eller i overskuelig framtid vil være nok datakraft tilgjengelig.

Høy oppløsning er viktig ...
Behovet for full detalj og høy oppløsning i beregningene blir viktig spesielt ved fenomen som for eksempel selvantenning. Førsteopponent professor Tarek Echekki fra North Carolina State University påpekte dette i sitt innlegg under disputasen:
”Selvantenning i et brennkammer starter som en skogbrann som oppstår ved at lynet slår ned i et tre. Dersom modellene vi bruker har for grov oppløsning slik at vi ikke fanger opp hva som skjer med dette ene treet, vil svaret være ingen skogbrann. Mens virkeligheten er at hele skogen brenner ned.”

... men vi må redusere kompleksiteten
Linear Eddy Modell (LEM) er en modell for å regne på turbulent blanding og forbrenning utviklet av Alan R. Kerstein ved Sandia National Laboratories. Modellen reduserer kompleksiteten i problemet ved bare å betrakte en dimensjon av gangen. Til gjengjeld har vi full oppløsning i denne ene dimensjonen.

Vi kan forestille oss at LEM representer en siktlinje gjennom brennkammeret. Langs denne siktlinjen løses molekylær blanding og kjemiske reaksjoner direkte. Turbulens som jo er et tredimensjonalt fenomen representeres ved stokastiske hendelser som flytter på elementer langs siktlinjen.

Internasjonalt samarbeid
Torleif Weydahl har i samarbeid med Sigurd Sannan ved SINTEF Energi og Alan R. Kerstein videreutviklet LEM til å betrakte flere dimensjoner samtidig. Doktorgradsarbeidet har vært et delprosjekt under BIGCO2 som er støttet av Norges Forskningsråd under Climit-programmet. Et spesielt fokus på internasjonalt samarbeid har resultert i flere forskningsopphold ved Sandia i Livermore, California og ved det nærliggende universitetet UC Berkeley.

Velskrevet, originalt arbeid
Prøveforelesningen omhandlet metoder for å representere kjemisk kinetikk i forbrenningsmodeller (Overview of Methods for Representing Chemical Kinetics in Mathematical Models of Turbulent Combustion). 
Opponentene mente at doktorgradsavhandlingen var velskrevet og at arbeidet representerer en original og ny metode for numerisk behandling av turbulente forbrenningsprosesser. 

Førsteopponent Tarek Echekki  fra North Carolina State University innledet med å understreke betydningen av høy oppløsning i numeriske beregninger. Foto: privat

Doktorand Torleif Weydahl utspørres av 2. opponent Morten Melaaen fra Høgskolen i Telemark. 
Foto: privat

Kontakt:

 

Snapshot fra LEM3D-simulering som beskriver blanding og reaksjon av brensel og luft i en turbulent diffusjonsflamme. Fargene viser blandingsforholdet mellom luft og brensel.

FAKTA

Torleif Weydahl disputerte 1.juni 2010 på NTNU med avhandlingen “A Framework for Mixing-Reaction Closure with the Linear Eddy Model”.

Førsteamanuensis Tarek Echekki (North Carolina State University), professor Morten Melaaen (Høgskolen i Telemark) og professor Terese Løvås (Institutt for energi- og prosessteknikk, NTNU) var oppnevnt til å bedømme avhandlingen.  Professor Løvås var også oppnevnt som administrator for bedømmelseskomiteen.

Veiledere har vært professor  II Inge R. Gran (NTNU), professor Ivar S. Ertesvåg (NTNU) og forsker Sigurd Sannan (SINTEF Energi) med Inge R. Gran som hovedveileder.

Torleif Weydahl  er ansatt som forsker ved avdeling Energiprosesser , SINTEF Energi.

Internasjonalt seminar
I forbindelse med disputasen arrangerte BIGCO2  et internasjonalt miniseminar med inviterte foredrag av blant andre Tarek Echekki, Christian Eichler (Technische Universität München), Stefan Brunberger (Linde Engineering), Ivar S. Ertesvåg, Balram Panjawi (NTNU) og Andrea Gruber (SINTEF).