Low-order thermoacoustic network modeling and simulation of spray flame transfer function
Modélisation thermoacoustique de bas ordre et simulation de la fonction de transfert d'une flamme diphasique
Résumé
Thermoacoustic combustion instabilities continue to be a major hurdle in the development of future gas turbine combustion systems. These instabilities are char- acterized by large-amplitude pressure oscillations in the combustor. They are un- desirable as they lead to severe vibrations increasing noise and pollutant emissions, causing excessive thermal and mechanical stresses on combustor components, and even threatening structural integrity. Large Eddy Simulation (LES) has proved to be a powerful tool capable of predicting many unsteady combustor phenomena, including instabilities. However, due to the high computational costs associated with LES, it cannot be a standalone design tool to analyze all possible designs and operating conditions to which instabilities remain extremely sensitive. This is where analytical, reduced- or low-order models (ROM / LOM) tend to be valuable and complement LES well, particularly during the predesign stages of combustor development. While most available LOM tools make some important physical sim- plifications (e.g., linearization of acoustics, flame response), they also typically use over-simplified geometries. One primary objective is to address the latter limita- tion and improve existing LOM techniques to be able to handle complex realistic geometries. A major part of the work revolves around developing and validating this new acoustic network modeling tool based on modal expansions (Galerkin Series) and state-space methods (viz. STORM: State-Space Reduced Order Model) for predict- ing and analyzing instabilities. In STORM, a complex system to be analyzed is decomposed and represented as a network of simpler geometrical elements (subdo- mains), connection (coupling), flame, and impedance elements. The unique features of STORM are the recently introduced Overcomplete Frame modal expansion tech- nique for modeling acoustics in the network subdomains and the so-called surface spectral connections methodology that was developed. Together they allow seam- less interconnections between subdomains with 1D/2D/3D acoustics and construct networks representing complex industry-relevant configurations. The rational ap- proximation methods are discussed for incorporating realistic flame/acoustic inter- action models (i.e., Flame transfer functions (FTFs)) in STORM networks. The importance of a few physical constraints, particularly causality, in algorithms deriv- ing these low-order, time-domain, state-space, data-driven flame response models from experimental or high-order simulation data are highlighted. A special type of network impedance element, DECBC (Delayed Entropy Coupled Boundary Condi- tion), is also developed that facilitates predicting mixed entropy-acoustic instabil- ities. Overall, STORM presents a cost-efficient, modular and flexible tool for pre- dicting thermoacoustic instabilities and should aid in determining stability regimes and optimum passive control strategies. In the second minor part of the thesis, the acoustic forcing of the turbulent swirling spray flame is simulated by employing the Euler-Lagrange (EL) LES ap- proach. The objective was to compute the FTF and assess the suitability of the existing EL-LES two-phase combustion modeling framework for such a system iden- tification problem. Recent work has demonstrated the potential of EL-LES in accu- rately predicting self-sustained limit-cycle instability. However, forced simulations exhibit some difficulties, as discussed. FTF retrieved numerically deviates from ex- perimental reference values by about 20-30%. Results remain sensitive, in general, to the modeling parameters, and further investigations are required to improve the models and prediction fidelity.
Les instabilités thermoacoustiques continuent d’être un obstacle majeur dans le développement des systèmes de combustion des turbines à gaz. Elles sont indésirables car elles entraînent de fortes vibrations augmentant le bruit et les émissions de polluants, provoquant des contraintes thermiques et mécaniques excessives sur les composants de la chambre de combustion, voire menaçant l’intégrité structurelle du système complet. La simulation aux grandes échelles (LES) s’est avérée être un outil puissant capable de prédire de nombreux phénomènes de combustion instationnaires, y compris les instabilités. Cependant, les coûts de calcul élevés associés empêchent cette approche d’être utilisée en phase de conception pour analyser toutes les conceptions possibles et les conditions de fonctionnement auxquelles les instabilités restent extrêmement sensibles. C’est pourquoi les modèles de bas ordre (LOM) sont précieux et complètent bien les LES, en particulier pendant les étapes de préconception de la chambre de combustion. Bien que la plupart des outils LOM disponibles effectuent des simplifications physiques importantes (linéarisation de l’acoustique, réponse à la flamme), ils utilisent également généralement des géométries trop simplifiées. L’un des principaux objectifs de ce travail est de d’améliorer les techniques LOM existantes pour pouvoir gérer des géométries réalistes complexes. Une grande partie du travail s’articule autour du développement et de la validation d’un nouvel outil de modélisation de réseaux acoustiques basé sur des expansions modales (Galerkin Series) et des méthodes d’espace d’états (viz. STORM) pour prédire et analyser les instabilités. Dans STORM, un système complexe à analyser est décomposé et représenté comme un réseau de géométriques plus simples sous-domaines, de connexion, de flamme et d’éléments d’impédance. Les caractéristiques uniques de STORM sont la technique d’expansion modale sur des Frame récemment introduite pour modéliser l’acoustique dans les sous-domaines du réseau et la méthodologie dite des connexions spectrales de surface. Ensemble, ils permettent des interconnexions transparentes entre les sous-domaines avec une acoustique 1D/2D/3D et construisent des réseaux représentant des configurations complexes pertinentes pour l’industrie. Les méthodes d’approximation rationnelle sont discutées pour incorporer des modèles d’interaction flamme/acoustique (les fonctions de transfert de flamme (FTF)) dans les réseaux. L’importance de quelques contraintes physiques, en particulier la causalité, dans les algorithmes dérivant ces modèles de réponse de flamme d’ordre inférieur, dans l’espace d’états et basés sur les données à partir de données de expérimental ou LES, est mise en évidence. Un type spécial d’élément d’impédance de réseau, DECBC (Delayed Entropy Coupled Boundary Condition), est également développé pour faciliter la prédiction des instabilités mixtes entropie- acoustique. Dans l’ensemble, STORM présente un outil efficace, modulaire et flexible pour prédire les instabilités thermoacoustiques et devrait aider à déterminer les régimes de stabilité et les stratégies de contrôle passif optimales. Dans la deuxième partie mineure de la thèse, le forçage acoustique de la flamme de spray tourbillonnante turbulente est simulé en utilisant l’approche Euler-Lagrange (EL) LES. Des travaux récents ont démontré le potentiel de EL-LES pour prédire avec précision l’instabilité auto-entretenue. Cependant, les simulations forcées présentent certaines difficultés et la FTF obtenue numériquement s’écarte des valeurs de référence expérimentales d’environ 20 à 30%. Les résultats restent sensibles, en général, aux paramètres de modélisation, si bien que d’autres investigations seront nécessaires pour améliorer les modèles et la fidélité des prévisions.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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