Development of cost-effective alternatives to conventionally-manufactured metal foam for industrial turbine combustors

Sirois, Julien (2024). Development of cost-effective alternatives to conventionally-manufactured metal foam for industrial turbine combustors. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The work presented here aims to provide design guidelines to create vortex-damping structures. A design of experiment was developed to investigate the individual and combined effects of the geometrical properties of planar regular grid structures, i.e., the wire diameter, the porosity, and the inter-grid spacing, on their vortex-breakdown performance. The simulations were carried out using a commercial unsteady RANS solver. The model relies on the Von Karman street effect to generate vortices in a pipe which are convected downstream, where they interact with an array of grids. The vortex-breakdown efficiency is characterized by the pressure drop, the residual turbulent kinetic energy, the flow homogeneity, and the size of the transmitted vortices. The wire diameter is shown to be an important design lever as it affects the level of distortion of the transmitted vortices. Increasing the number of grids augments the pressure loss, but their contribution to vortex breakdown is otherwise limited when the wire diameter is small. The influence of grid spacing strongly depends on the wire diameter and grid alignment. For instance, minimizing this gap reduces the pressure drop for the inline configurations, but increases the pressure drop for the offset configurations. Ultimately, the optimal design should be a graded structure, starting with a very porous grid made from a large wire diameter to breakdown the incoming vortices. Additional grids should be rotated and offset to increase the tortuosity, as it improves the velocity homogeneity. The wire diameter of the subsequent grids should be progressively smaller to reduce the TKE. The spacing between the grids should be as large as possible and their numbers must be kept to a minimum to avoid excessive pressure losses. The porosity should only be reduced when the desired velocity uniformity cannot be obtained by other means.

Titre traduit

Développement d’alternatives imprimées en 3D à la mousse métallique fabriquée de manière conventionnelle pour les chambres de combustion des turbines industrielles

Résumé traduit

Le travail présenté ici vise à fournir des lignes directrices pour la conception de structures d'amortissement des tourbillons. Un plan d'expérience a été mis au point pour étudier les effets individuels et combinés des propriétés géométriques des structures planes à grille régulière, c'est-à-dire le diamètre du fil, la porosité et l'espacement entre les grilles, sur leurs performances en matière d'amortissement des tourbillons. Les simulations ont été effectuées à l'aide d'un solveur RANS instable commercial. Le modèle s'appuie sur l’allée de Von Karman pour générer des tourbillons dans un tuyau qui sont convectés en aval, où ils interagissent avec un réseau de grilles. L'efficacité de la décomposition des tourbillons est caractérisée par la perte de charge, l'énergie cinétique turbulente résiduelle, l'homogénéité de l'écoulement et la taille des tourbillons transmis. Le diamètre du fil s'avère être un levier de conception important car il affecte le niveau de distorsion des tourbillons transmis. L'augmentation du nombre de grilles accroît la perte de pression, mais leur contribution à la rupture des tourbillons est par ailleurs limitée lorsque le diamètre du fil est faible. L'influence de l'espacement des grilles dépend fortement du diamètre du fil et de l'alignement des grilles. Par exemple, la minimisation de cet écart réduit la perte de charge pour les configurations en ligne, mais augmente la perte de charge pour les configurations décalées.
Le design optimal devrait être une structure graduelle, commençant par une grille très poreuse fabriquée à partir d'un fil de grand diamètre pour briser les tourbillons entrants. Les grilles supplémentaires devraient être décalées pour augmenter la tortuosité et maximiser l'homogénéité de l’écoulement. Le diamètre des grilles subséquentes devrait diminuer progressivement pour réduire l’énergie turbulente cinétique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 99-100).
Mots-clés libres:	suppression des tourbillons, interaction avec des grilles, RANS, écoulement confiné, allée de Von Karman
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Codirecteur:	Codirecteur Sanjosé, Marlène
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	24 juill. 2024 14:39
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3476

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