Des simulations de supercalculateurs montrent des moyens de nettoyer et d’accélérer les turbines à gaz

Des simulations de supercalculateurs montrent des moyens de nettoyer et d'accélérer les turbines à gaz

Ces images générées par un superordinateur montrent comment le placement de la combustion à l’intérieur ou à l’extérieur du jet affecte sa dynamique des fluides et, par conséquent, le mélange dans les régions de combustion. Les structures dynamiques des fluides indiquent la perte de vortex du jet entrant dans le flux transversal : (a) jet non réactif, (bd) jets réactifs avec différentes régions de combustion ; (c) correspond à des réactions à l’intérieur du jet, montrant une diminution de l’effusion de vortex tandis que (b) correspond à des réactions à l’extérieur du jet, montrant une augmentation de l’effusion de vortex. Crédit : Institut de technologie de Géorgie

Lorsque vous faites un voyage en avion, en train ou en bateau de croisière, vous voyagez probablement grâce à la puissance des turbines à gaz. Ce sont des moteurs à combustion qui convertissent du gaz ou du carburant liquide en énergie mécanique. Le processus implique de l’air, du carburant, de la compression et du feu. Bien que ces générateurs d’électricité modernes soient courants et fiables, les scientifiques s’efforcent toujours de mieux comprendre le fonctionnement des turbines à gaz afin de les améliorer.

Dans cet esprit, une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) a utilisé à la fois Expanse au San Diego Supercomputer Center de l’UC San Diego et Bridges-2 au Pittsburgh Supercomputing Center pour des simulations afin de montrer de nouvelles façons de développer des systèmes plus efficaces. et des systèmes de combustion de turbine à gaz plus propres. Expanse a également été utilisé pour stocker les gros fichiers de simulation.

L’étude, intitulée “Influence of Mixture Composition and Radial Flame Location on Counter-rotating Vortex Pair Evolution in a Reacting Jet in Crossflow”, a été publiée dans l’American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SciTech 2023 Forum Proceedings, Forum AIAA SCITECH 2023.

“L’accès aux supercalculateurs via des programmes tels que XSEDE/ACCESS nous a donné des allocations gratuites pour exécuter ces grandes simulations qui autrement prendraient beaucoup de temps à s’exécuter”, a déclaré Vishal Acharya, co-auteur et directeur associé du laboratoire de combustion aérospatiale de la Georgia Tech’s School. de génie aérospatial. “Les systèmes nationaux comme Expanse et Bridges-2 qui sont accessibles via XSEDE/ACCESS sont bien configurés pour ces simulations et ils ne font que s’accélérer – nous avons gagné beaucoup de temps en les utilisant et l’accès gratuit signifie également que nous économisons des dollars de recherche. ”

Les simulations ont aidé l’équipe de recherche à aborder le rôle de la combustion et son interaction avec la couche de cisaillement du jet, la région responsable de la formation de structures turbulentes et de tourbillons qui contrôlent le mélange et la propagation de l’épaisseur et de la vitesse d’un fluide dans le temps et l’espace. (c’est-à-dire le “champ d’écoulement”). L’étude a également démontré que dans certaines conditions, la topologie entière du champ d’écoulement peut complètement changer avec de grandes implications sur les performances de mélange de l’écoulement.

“Notre étude a non seulement analysé l’impact de la combustion sur la structure de l’écoulement et la physique de l’écoulement pour un nouvel ensemble de conditions, mais fournit également des orientations importantes pour le développement de systèmes qui émettent de plus petites quantités de pollution”, a déclaré Vedanth Nair, auteur principal et chercheur. ingénieur au Georgia Tech Aerospace Combustion Lab.

“La configuration d’écoulement analysée dans l’étude – le jet en écoulement croisé – est un champ d’écoulement canonique qui peut être observé dans plusieurs systèmes pratiques, en particulier dans les turbines à gaz, où son objectif est de mélanger efficacement deux flux de fluides différents tels que le carburant dans un flux croisé chaud. ou le refroidissement de l’air en gaz de combustion.”

Acharya a déclaré que l’étude fait partie d’un programme plus vaste utilisant à la fois des outils expérimentaux et informatiques pour étudier la mécanique complexe des fluides réactifs dans un jet à flux croisé qui peut aider à améliorer leur utilisation dans divers systèmes de combustion. Alors que les outils informatiques permettent à l’équipe de modifier soigneusement chaque paramètre pour analyser les effets spécifiques de la mécanique des fluides de la combustion, les expériences fournissent un contexte réel aux structures d’écoulement observées.

“Les résultats de nos expériences nous ont montré que la combustion a un impact significatif sur la structure de l’écoulement dans les conditions que nous avons considérées dans nos simulations”, a déclaré Nair. “En outre, il a démontré un paramètre supplémentaire qu’il était essentiel de prendre en compte lors de l’étude des jets réactifs en écoulement croisé – le nombre de Reynolds du jet, qui est une mesure des tendances inertielles par rapport aux tendances visqueuses du jet.”

Les travaux actuels de l’équipe poussent cette recherche un peu plus loin avec des plans pour capturer l’effet de la viscosité/nombre de Reynolds sur la configuration particulière du flux de flamme et étendre les conditions de fonctionnement afin qu’elles soient conformes à des systèmes de turbines à gaz plus pratiques. Encore une fois, ils prévoient d’utiliser des superordinateurs pour la simulation.

Plus d’information:
Vedanth Nair et al, Influence de la composition du mélange et de l’emplacement de la flamme radiale sur l’évolution des paires de tourbillons contrarotatifs dans un jet réactif en écoulement croisé, Forum AIAA SCITECH 2023 (2023). DOI : 10.2514/6.2023-0344

Fourni par Université de Californie – San Diego

Citation: Des simulations de supercalculateurs montrent des moyens de nettoyer et d’accélérer les turbines à gaz (8 mars 2023) récupéré le 8 mars 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-03-supercomputer-simulations-ways-gas-turbines.html

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