Benchmarking Numerical CFD Simulation of Hydrogen Combustion with FLOX® based Burner Technology

Kurzfassung

Hydrogen is a promising alternative to fossil fuels for future gas turbines, since it can be produced using renewable energy sources and benefits from CO_2 free combustion. However, due to its higher reactivity (when compared to natural gas) it cannot be used with the state-of-the-art premixed combustors optimized for natural gas. Besides the risks of flame flashback and auto-ignition, high hydrogen content fuels tend to produce significantly elevated NO_x emissions due to the higher flame temperature. To seamlessly incorporate hydrogen into gas turbine technology, it is essential to develop advanced combustion solutions that ensure both low emissions and operational reliability. This thesis investigates the combustion dynamics of a single-nozzle FLOX® burner under fuel and load flexibility investigations, focusing on hydrogen content and premixing strategies. The goal is to benchmark DLR's hydrogen combustion simulations by validating RANS models against experimental data. To ensure the accuracy and reliability of the computational model, a mesh dependence study was conducted by leveraging the GCI methodology, which also helped identify the optimal mesh refinement level within the reaction zone. Results from RANS simulations offer a detailed comparative analysis, revealing that varying hydrogen volume fraction from 0 to 100vol.% H_2 at constant equivalence ratio and thermal power significantly diminishes LOH, resulting in more compact and anchored flames, while premixed configurations enhance flame stability and reduce LOH compared to non-premixed cases, providing a potential approach for NO_x mitigation. Leaner mixtures result in lower NO_x emissions due to reduced flame temperatures. Analysis of velocity fields demonstrates the influence of LF, FF and premixing on flow recirculation zone and jet stabilization. Temperature distributions highlight the location of reaction zones and illustrate that premixing leads to early combustion onset and yields more compact reaction zones, suggesting the potential to design compact combustors with a broad operability range. While RANS simulations effectively verify trends in emissions and LOH, they may underestimate flame width near the lean blow-off limit, recognizing certain limitations. Wasserstoff ist eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen für zukünftige Gasturbinen, da er aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann und eine CO_2-freie Verbrennung ermöglicht. Aufgrund seiner höheren Reaktivität (im Vergleich zu Erdgas) kann er jedoch nicht uneingeschränkt in heutigen, für Erdgas optimierten Vormischbrennern, für Erdgas entwickelten Vormischbrennern verwendet werden. Neben eines Flammenrückschlags oder einer unkontrollierten Selbstentzündung führen Brennstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt aufgrund der höheren Flammentemperatur tendenziell zu deutlich erhöhten NO_x-Emissionen. Um Wasserstoff nahtlos in die Gasturbinentechnologie einzubinden, müssen fortschrittliche Verbrennungslösungen entwickelt werden, die sowohl niedrige Emissionen als auch Betriebssicherheit gewährleisten. In dieser Arbeit wird die Verbrennungsdynamik eines eindüsigen FLOX®-Brenners hinsichtlich Brennstoffund Lastflexibilität untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem Wasserstoffgehalt sowie verschiedenen Vormischungsstrategien liegt. Ziel ist es, die Wasserstoffverbrennungssimulationen des DLR auf Basis von RANS-Modellen durch den Vergleich mit experimentellen Daten zu validieren. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Berechnungsmodells zu gewährleisten, wurde eine Studie zur Gitterabhängigkeit unter Verwendung der GCI-Methodik durchgeführt, wodurch der optimale Gitterverfeinerungsgrad innerhalb der Reaktionszone ermittelt werden konnte. Die Ergebnisse der durchgeführten RANS-Simulationen bieten eine detaillierte vergleichende Analyse und zeigen, dass die Steigerung des Wasserstoffanteils im Brennstoff von 0 bis 100% H_2 bei konstantem Äquivalenzverhältnis und thermischer Leistung zu kompakteren und weniger abgehobenen Flammen führt. Im Weiteren verbessern vorgemischte Konfigurationen die Flammenstabilität und verringern die Abhebehöhe im Vergleich zu nicht vorgemischten Fällen, was einen potenziellen Ansatz zur NO_x-Minderung darstellt. Magerere Gemische führen aufgrund der geringeren Flammentemperaturen zu niedrigeren NO_x-Emissionen. Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder zeigt den Einfluss von Last, Brennstoff und Vormischung auf die Strömungsrezirkulationszone und die Jetstabilisierung. Die Temperaturverteilungen verdeutlichen die Lage der Reaktionszonen und zeigen, dass die Vormischung zu einem früheren Verbrennungsbeginn führt und kompaktere Reaktionszonen ergibt, was auf das Potenzial zur Konstruktion kompakter Brennkammern mit einem breiten Betriebsbereich hindeutet. Während RANS-Simulationen die Trends bei den Emissionen und der Abhebehöhe effektiv vorhersagen können, sind insbesondere hinsichtlich der Unterschätzung der Flammenausbreitung in der Nähe der mageren Verlöschgrenze gewisse Einschränkungen erkennbar.