Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Numerical simulations of combustion process in Dual-Mode Combustor

Bartosz Marcin Baszniak

Abstract

The diploma thesis mainly applies to combustion in the Dual-mode combustor. Starting from description of all types of aircraft engines, the thesis shows scramjet engine as potential propulsion of next generations. What is also presented, is the principle of operation of hypersonic engines and their main elements. The thesis refers to possible application of hypersonic engines and their both, advantages and disadvantages. What is more, it applies to specific type of scramjet engines, such as dual mode scramjet – a combination of ramjet and scramjet. So combustors such as dual mode ones were described in the thesis in a very detailed way. Flame stabilization, stabilization methods, flame propagation in the area of cavity flame holder, fuel injection methods and types of fuel used in the mentioned combustors are also the issues introduced in the thesis. Descriptions of flame stabilization and flame propagation are based mainly on the example of cavity flame holder. The reason of that is the use of the combustor concept in the further analysis where considered was also CFD - Computational Fluid Dynamics. The main purpose of following thesis were both model preparation and creation of numeric simulation of combustion in the Dual-mode combustor. The numeric simulation was done with the use of ANSYS Fluent software. The thesis applies to program possibilities and correct implementation of parameters. The simulation was done based on Daniel J. Mick and James F. Discroll publication, called “Combustion characteristics of a dual-mode scramjet combustor with cavity flameholder”. The article describes two experiments that was made in order to check the basic parameters of combustion in the dual-mode combustor such as stabilization of the flame or the combustor wall pressure. There are two stabilization models specified: ‘Jet wake stabilized combustion’ and ‘Cavity stabilized combustion’. So the numeric simulation is a try to recover the experiment in the computer environment. The simulation gave very good results and proper projection of parameters from the experiment. For the validation of the results correctness, combustor pressure distribution was checked. As it was predicted, ‘Cavity stabilized combustion’ was observed. Flame propagation was reached thanks to temperature distribution. Pressure distribution and velocity inside the combustor were also validated. Based on the velocity distribution, there was ‘shock train’ observed. Velocity vectors inside the ‘cavity flame holder’ let us observed the area of recirculation of the mixture. Based on additional simulations, in which the excess fuel equivalence ratio was changed, we could observe the relation between equivalence ratio and velocity distribution. For the equivalence ration under 0.2 the scramjet mode was observed. For the equivalence ration above 0.2 the ramjet mode and ‘thermal throat’ was observed. Finally, the solver parameters and settings for numerical simulation are presented.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Bartosz Marcin Baszniak (FPAE) Bartosz Marcin Baszniak,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Symulacje numeryczne procesu spalania w komorze typu Dual-Mode Combustor
Supervisor
Łukasz Kapusta (FPAE/IHE) Łukasz Kapusta,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
28-03-2019
Issue date (year)
2019
Pages
61
Internal identifier
MEL; PD-5065
Reviewers
Łukasz Kapusta (FPAE/IHE) Łukasz Kapusta,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
dual mode combustor, scramjet, dual-mode scramjet, CFD, Fluent, spalanie, naddźwiękowa komora spalania
Keywords in English
dual mode combustor, scramjet, dual-mode scramjet, CFD, Fluent, combustion
Abstract in Polish
Praca dyplomowa skupia się na spalaniu w komorze typu Dual-mode combustor. Rozpoczynając od omówienia wszystkich silników lotniczych, przedstawia silnik scramjet jako potencjalny napęd przyszłości. Opisana została zasada działania silników naddźwiękowych oraz najważniejsze elementy konstrukcji. Praca odnosi się do możliwych aplikacji silników naddźwiękowych oraz do ich wad i zalet. Co więcej, skupia się na odmianie silników scramjet, jaką jest dual mode scramjet, czyli połączenie silnika ramjet oraz scramjet. Opisane zostały więc szczegółowo komory typu dual mode combustor. Przybliżone zostały takie zagadnienia jak stabilizacja płomienia i metody stabilizacji, propagacja płomienia w obrębie ‘cavity flame holder’, metody wtrysku paliwa oraz rodzaje paliw używanych w ww. komorach. Stabilizacja płomienia oraz propagacja została opisana głównie na przykładzie ‘cavity flame holder’, gdyż ta koncepcja komory została wybrana do dalszych prac z użyciem metod CFD (Computational Fluid Dynamics). Celem niniejszej pracy było i przygotowanie modelu i przeprowadzenie symulacji numerycznej spalania w komorze spalania typu Dual-Mode Combustor. Symulacje wykonano przy użyciu oprogramowania ANSYS Fluent. W pracy skupiono się na możliwościach programu oraz poprawnej implementacji parametrów. Symulację przeprowadzono na podstawie publikacji Daniela J. Micka oraz Jamesa F. Driscolla „Combustion characteristics of a dual-mode scramjet combustor with cavity flameholder”. Na łamach artykułu przeprowadzone zostały eksperymenty, w których badano podstawowe parametry spalania w komorze Dual-Mode, takie jak stabilizacja płomienia czy ciśnienie na ściankach komory. Wyodrębniono dwa modele stabilizacji ‘Jet wake stabilized combustion’ oraz ‘Cavity stabilized combustion’. Symulacja numeryczna jest więc próbą odtworzenia eksperymentu w środowisku komputerowym. W symulacji uzyskano dobre odwzorowanie parametrów eksperymentu. W celu sprawdzenia poprawności wyników, porównano rozkład ciśnień wzdłuż komory spalania. Zgodnie z przewidywaniami zaobserwowano ‘Cavity stabilized combustion’. Propagacje płomienia uzyskano dzięki rozkładowi temperatur. Przedstawiono również rozkłady ciśnień oraz prędkości wewnątrz komory. Na podstawie rozkładu prędkości zaobserwowano zjawisko ‘shock train’. Wektory prędkości w obrębie wnęki ‘cavity flame holder’ pozwoliły zaobserwować obszar recyrkulacji mieszaniny. Na podstawie dodatkowych symulacji, w których zmieniano współczynnik ekwiwalencji, zaobserwowano zależność pomiędzy współczynnikiem ekwiwalencji i rozkładem prędkości. Dla wskaźnika ekwiwalencji poniżej 0.2 zaobserwowano ‘scramjet mode’ – prędkość przepływu naddźwiękowa w całej komorze. Dla współczynnika nadmiaru paliwa powyżej ok 0.2 zaobserwowano ‘ramjet mode’, czyli spadek prędkości do przepływu poddźwiękowego w obrębie komory spalania oraz ‘thermal throat’. Ostatecznie przedstawiono parametry i ustawienia solvera, dla których uzyskano dobre odwzorowanie eksperymentu.
File
  • File: 1
    PRACA_INŻYNIERSKA-Bartosz_Baszniak.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 32564

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT59236d14d0544789ac5233050fa76ae5/
URN
urn:pw-repo:WUT59236d14d0544789ac5233050fa76ae5

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page