FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Gassturbinmotorer er typisk brukt i fly, og i gasskraftverk for å generere strøm. Selv om slike motorer anses som rene og effektive, slipper de ut forurensning under forbrenning. En mulighet for å redusere disse utslippene er å endre mengden drivstoff som brukes i flymotorer. Slik kan man redusere mengden utslipp av nitrogenoksider, som er skadelige for lokal luftkvalitet. Kanskje enda mer lovende er ideen om å bytte om til alternative drivstoff som hydrogen. Hvis hydrogen kan brukes til å generere kraft kan en fullstendig eliminere utslippene av drivhusgasser som karbondioksid. Imidlertid, når en endrer mengden eller type drivstoff, møter motorutviklere et problem som kalles «forbrenningsustabilitet». Dette prosjektet hjelper oss å bedre forstå fysikken som står bak disse uønskede ustabilitetene, slik at vi enklere kan designe lav- og til og med nullutslippsmotorer i fremtiden. Når det forekommer ustabilitet i forbrenningen, pulserer strømmen av drivstoff og luft. Dette får flammer i forbrenningskammeret til å puffe ? ofte hundrevis eller til og med tusenvis av ganger i sekunder. Under hver puffing dannes en slags virvlende ringstruktur. Denne virvelstrukturen ser litt ut som når noen blåser en røykring ut i lufta. Når slike virvelstrukturer møter flammen i et forbrenningskammer, påvirker de hverandre og får flammen til å endre form. Å forstå nøyaktig hvordan og når flammene endrer form er avgjørende for å forstå ustabilitetsfenomenene. Derfor vil vi måle størrelsen og formen på virvelstrukturene og flammeformen, ved hjelp av høyhastighetslasere og kameraer. Vi vil også bruke målingene våre for å hjelpe til med å designe en enkel måte å simulere de viktige endringene i flammeformen, slik at disse kan forutsees bedre i fremtiden. Vi vil gjøre disse målingene for et bredt spekter av forskjellige blandinger av hydrogenbrensel for å forstå problemene knyttet til denne typen drivstoff. Tre forskere har nå sluttet seg til prosjektet, og sammen har vi begynt å gjøre målinger av virvelstrukturene og flammeformen i en enkelt isolert flamme. Disse målingene innebærer å introdusere små partikler i strømningen, og belyse disse ved hjelp av en laser. Vi måler deretter forskyvningen av partiklene i forskjellige regioner. Du kan se en video av denne teknikken i laboratoriet vårt her: https://twitter.com/NTNU_TCL/status/1403347486136283139?s=20 Vi tar tusenvis av bilder for å beregne gjennomsnittsstørrelsen på virvelstrukturene, og vi behandler disse for tiden før vi starter vår detaljerte analyse. Vi har også designet nytt utstyr for å måle virvelkonstruksjonene i en hel ringformet brenner. En ringformet brenner har flere flammer som kan samhandle med hverandre, og likner mer på utformingen av en ekte gassturbinmotor. Vi begynner å teste i den ringformede brenneren senere denne måneden, noe som vil hjelpe oss å forstå fysikken bak fenomenet i et relevant system.

At present we do not fully understand combustion instabilities in gas turbine combustors, and this lack of understanding hinders the development of low emission technology. The current proposal aims to generate a step change in our scientific understanding of flow field underlying this phenomena. In order to achieve this aim a dedicated research group will undertake a wide ranging and ambitious programme of experimental and numerical work. A series of novel experiments will explore the phenomenology of vortex dynamics in thermoacoustically unstable hydrogen flames with the aim of forming new links between the flow field and flame response. Vortex scaling laws will then be developed and used to predict the behaviour and scaling of the heat release oscillations; creating a unique way of modelling this phenomena, using a more generalised and physically relevant description of the flame response. Low order vortex and flame modelling approaches will also be combined, to develop a new way to predict flame stability from first principles. Finally, flow asymmetry will be investigated as a new way to control the vortex dynamics and the stability of reacting flows. This approach will dramatically improve our scientific understanding of this phenomena, and lead to the advancement of our predictive and design capability, allowing us to realise the operational and environmental benefits of modern low emission gas turbine technology. Furthermore, the new approach to modelling these instabilities and the study of fundamental flow regimes are very likely to stimulate future research, with a high potential to open up completely new research areas.