Master's Thesis

Computational simulation of air flow in a gas burner

Final Thesis 6.94 MB Appendix 9.25 kB

Author of thesis: Ing. Jan Waloszek

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Abstract:

This work is focused on computational modelling of a flow in a burner. The main objective is to provide a complex comparison of the results obtained through several approaches to modeling, on different computational grids and also using different turbulence models. Experimental measurement data are used for validation. Numerically obtained data are compared to each other and to experimental data. The method of Proper-Orthogonal Decomposition is also applied on the calculated data. The greatest benefit of this work is providing a wider view on the swirling flow modeling in burners and the results obtained here will help to better understand the behavior of stated models for tasks of this kind and their potential for modelling combustion in furnaces.

Keywords:

Lopatkový vířič, Vířivé proudění, Hořák, CFD, POD, PIV, Modelování turbulence

Date of defence

13.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Byly zodpovězeny otázky oponenta práce. Dotaz na průběh experimentu a rychlost proudění média. Dotaz na použitou výpočtovou sít a její rozsah. Otázka na design a návrh použitého vířiče. Dotaz na možnosti využití jiných vířicích prvků v popsaném experimentu.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Process Engineering (M-PRI)

Composition of Committee

Ing. Jan Pokorný, CSc. (předseda)
prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (místopředseda)
Ing. Miloslav Odstrčil, CSc. (člen)
doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
Ing. Dušan Vincour, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Jůza, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Práce se zabývá počítačovým modelováním proudění za axiálním lopatkovým vířičem v potrubí. Problematika je poměrně obsáhlá s podklady dostupnými převážně v zahraniční odborné literatuře. Student si dokázal poradit jak s rešerší a úvodem do problematiky, tak se zpracováním naměřených dat, která mu byla poskytnuta z PIV a CTA měření. Podklady dokázal zpracovat a připravit na porovnání s vypočtenými daty ze simulací. U vlastních numerických simulací otestoval nové možnost v programu ANSYS Fluent 18.1 a nakonec identifikoval vhodné nastavení pro výpočet. Během vyhodnocování výsledků simulací prokázal znalost fyzikálních dějů, které ovlivňují tento typ proudění. Především oceňuji novou implementaci metody POD, která na našem ústavu nebyla zatím využita k vyhodnocování dat, a student si s implementací poradil bez větších potíží. Kladně také hodnotím dobrou grafickou úpravu s přehlednými grafy doplněnými o vysvětlující ilustrace. Student pracoval samostatně, byl komunikativní a spolehlivý s dobrou znalostí programování, již využil při zpracování obřího množství dat.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Student se ve své práci zabývá především výpočtovou simulací proudění v hořáku. V úvodní části prezentuje zevrubnou rešerši konstrukčních variant vírových hořáků včetně charakteristiky proudění (zvláště fenomén vortex breakdown) a diskuse různých vlivů na proces hoření. V další části se zabývá experimentem, který sice netvoří jádro práce, ale slouží jako zdroj dat pro ověření výpočtových modelů. Po popisu jednotlivých modelů turbulence je provedena jejich aplikace na izotermické proudění v hořáku pouze se vzduchem. Vyzdvihuji prezentaci i interpretaci dat na vysoké úrovni, bohužel netypické pro většinu ostatních diplomových prací. Oceňuji také, že se autor rozhodl pro využití metody POD pro identifikaci časově-prostorového chování. Zde se ale zřejmě autor dopustil chyb, minimálně v textu. Na str.65 píše, že metodu POD aplikoval na fluktuační složky rychlosti. Jak ale potom zjišťoval energii nultého (tedy časově středovaného) módu, o které píše a v grafu ji prezentuje na str.66? Metoda POD je charakteristická párovým výskytem módů s fázovým posunem o 90 stupňů. To není z obr.6.4 příliš patrné. Je ovšem možné, že je to částečně způsobeno přílišnou chaotičností vstupních dat. Proč nejsou prezentovány výsledky FFT časových funkcí jednotlivých (alespoň těch nejnižších)  módů? Výhodou metody POD je právě korelace mezi prostorovým tvarem módů způsobujících nestabilitu a identifikací jejich frekvence.
Celkově práci hodnotím jako zdařilou, zadání bylo splněno v celém rozsahu, z hlediska praktického mohou být výstupy použity pro další modelování dané třídy úloh na pracovišti diplomanta. Z hlediska formálního je práce přehledná, logicky stavěná a graficky velmi povedená. Doporučil bych do budoucna zabývat se detailněji charakterem pulzací na výstupu z hořáku (jedná se o pulzace radiální, axiální?) a konstrukčními možnostmi jejich ovlivnění.
Nepřesnosti a připomínky věcné:
-    Str. 22 RANS by měly být korektněji nazývány „časově středované“, nikoli „průměrované“ modely
-    Str.22 „Rovnice jsou řešeny pro každý kontrolní objem v uzlových bodech“. V metodě konečných objemů se s uzly nepracuje, rovnice jsou diskretizovány k těžištím  konečných objemů, hodnoty některých veličin jsou interpolovány na hranice konečných objemů, ale nikoli do uzlů.
-    S formulací o necitlivosti modelu SST k-omega na hodnoty y+ bych byl opatrný.
-    Str. 41 autor testuje metodu Reduced Rank Extrapolation, ale chybí vysvětlení podstaty metody
-    Str. 49  použití pouze 1000 vzorků pro analýzu FFT je ze zkušenosti příliš málo a může to výrazně zkreslit výsledky
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Setkal jste se v průběhu experimentu i výpočtu s přechodem symetrického rozpadu víru (bubble vortex breakdown) do spirálového (spiral vortex breakdown)? Pokud ano, při jaké hodnotě vírového čísla?
  2. Na straně 15 uvádíte slovně definici účinnosti hořáku. Jak se prakticky stanovuje?
Display more

Grade proposed by reviewer: A