Simulation of Natural Gas Combustion

                                                                STEADY STATE SIMULATION OF NATURAL GAS COMBUSTION USING ANSYS FLUENT

                                                                                                             

1. AIM

Our aim is to perform a steady state simulation of natural gas combustion using eddy viscosity model on the 2D combustor model to analyze the mass fraction of emission, temperature distribution by varying the mass fraction of fuel using ANSYS FLUENT.

2. THEORY/EQUATIONS/FORMULAE USED

ANSYS FLUENT academic version CFD package is used to carry out the simulation. It is a user friendly interface which provides high productivity and easy-to-use workflows. Workbench contains all workflow needed for solving a problem such as pre-processing, solving and post-processing.

Combustion  

Combustion is a chemical process in which a substance reacts rapidly with oxygen and gives off heat. The original substance is called the fuel, and the source of oxygen is called the oxidizer.

                                                   

Combustion is a high-temperature exothermic redox chemical reaction between a fuel and an oxidant, usually atmospheric oxygen, that produces oxidized, often gaseous products, in a mixture termed as smoke.

Types of Combustion

There are 2 types of combustion i.e., Complete and Incomplete Combustion

Complete Combustion

When the reaction takes place in the presence of abundant Oxygen, the substances combine with Oxygen to their maximum extent. Such reactions have heat and light as a visible by-product.

Incomplete Combustion

These are defined as the reactions that occur in the absence of sufficient oxygen because of which substances are unable to burn completely. Such reactions leave Soot in the container due to this process along with the formation of Carbon monoxide which is an air pollutant.

Natural Gas

Natural gas is methane that comes from buried plants and animals which decayed and formed tiny bubbles of gas that is gathered, cleaned and used as an energy source.

Chemical composition of natural gas

Natural gas is a naturally occurring gas mixture, consisting mainly of methane sourced from supply basins in western Canada, the United States and Ontario producers.

When natural gas burns, a high-temperature blue flame is produced and complete combustion takes place. Methane is CH4 and when burnt in oxygen (air) it produces heat and CO2 and water.

The balanced reaction is                            

                                                                                                                  CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Typical combustion properties of natural gas:

Ignition Point: 564 ^oC

Flammability Limits: 4% - 15% (volume % in air)

Theoretical Flame Temperature (stoichiometric air/fuel ratio): 1953 ^oC

Maximum Flame Velocity: 0.36 m/s

Chemical Kinetics

Chemical kinetics is the branch of physical chemistry that is concerned with understanding the rates of chemical reactions. It is to be contrasted with thermodynamics, which deals with the direction in which a process occurs but in itself tells nothing about its rate.

Combustion models for CFD 

Combustion being the integral part of various engineering applications like: internal combustion engines, aircraft engines, rocket engines, furnaces, and power station combustors, combustion manifests itself as a wide domain during the design, analysis and performance characteristics stages of the above-mentioned applications. With the added complexity of chemical kinetics and achieving reacting flow mixture environment, proper modeling physics has to be incorporated during computational fluid dynamic (CFD) simulations of combustion.

CFD modeling of combustion calls upon the proper selection and implementation of a model suitable to faithfully represent the complex physical and chemical phenomenon associated with any combustion process. The model should be competent enough to deliver information related to the species concentration, their volumetric generation or destruction rate and changes in the parameters of the system like enthalpy, temperature and mixture density. The model should be capable of solving the general transport equations for fluid flow and heat transfer as well as the additional equations of combustion chemistry and chemical kinetics incorporated into that as per the simulating environment desired.

Combustion Modelling in ANSYS Fluent

Based on models                                                                                Based on Reactions

1. Species Transport                                                                          1. Volumetric
2. Non-premixed Combustion Wall Surface                                          2. Wall Surface
3. Premixed Combustion Particle Surface                                            3. Particle Surface
4. Partially-premixed Combustion Electrochemical                               4. Electrochemical

Based on Turbulent Chemistry Interaction (TCI)

1. Finite Rate/ No TCI
2. Finite Rate/ Eddy Dissipation
3. Eddy Dissipation
4. Eddy Dissipation Concept

 

Problem – Natural Gas Combustion on a 2D Combustor Model

Natural gas combustion using eddy viscosity model on the 2D combustor model by varying the mass fraction of fuel by adding water content to analyze the temperature distribution, mass fraction of  CO2, H2O, CH4, N2, O2, NOx emissions & Soot formation across the combustor model and discuss the results.

Fuel-Air mixture chosen for the problem – Natural Gas (CH₄) – Air (O₂)

Species involved in the combustion process - CO2, H2O, CH4, N2, O2, NOx emissions & Soot formation.   

 

3. PROCEDURE

     1. In the process, firstly the 3D geometry is imported in SpaceClaim and suitable operations are done such as split body, combine faces to convert it to 2D flow domain.

     2. Meshing is done in order to study the flow and all the boundaries are named respectively. Also checked the mesh quality is good enough to carry out the simulation.

     3. Solver type, the initial and boundary condition, suitable turbulence model are defined as per the problem.

     4. In the current problem there are 5 cases defined with changes in fuel mass fraction and water content in fuel from 5% to 30 % with inlet air and fuel velocity of 0.5 m/s and 80 m/s respectively.

     5. In this case k-epsilon turbulence is used as the flow is turbulent.

     6. The species model, fuel, oxidizer, soot model is chosen for the combustion simulation.

     7. The contours of temperature, mass fraction of all the species involved in the chemical reaction are initiated in order to visualize and validate the essential features.

 

4. NUMERICAL ANALYSIS (Software used – ANSYS 2018 R1)
   • Geometric Model

The 3D geometry of Combustor Model is imported in SpaceClaim and the cleanup is done as per the figure given below.

3D Geometry – Combustor Model

                                                                   

                                                                                                                  Fig: Geometry

Modified Geometry and 2D Flow Domain – Combustor Model

                                                                       

                                          

                                                                                                        Fig: Modified Geometry

                  

                                                                                                     Fig: 2D Flow Domain

Mesh

               

                                                         Fig: Mesh                                                                                          Fig: Close-up view                    

                                              

                                                                                                                  Fig: Mesh Quality

• Boundaries

                                     

                                                                                           Fig: Boundaries for the complete domain

• Solver Set-up

1. The mesh file is imported into the FLUENT software for the analysis of the modeled surface.
2. Once the mesh file is loaded and displayed, it is checked for the units, scale, and mesh.
3. There are two types of numerical solver methods pressure–based and density-based solver. The pressure based solver was used rather than the density based solver as the simulation is for lower Mach number. Absolute velocity formulation, steady state, axisymmetric 2D space was used for the analysis.

                                                                                       

    4. k-epsilon turbulence with standard model along with standard wall function is used for the analysis as the flow is turbulent.

                                                                                         

    5. The species model chosen is Species Transport.

                                                                   

    6. The NOx species model formation chosen as per the below image.

                                                                       

    7. The soot model chosen is One-Step Soot.

                                                              

    8. Convergence and monitor are checked for absolute criteria of 1e-8 for all the residuals.

                                                                   

    9. Solution methods – SIMPLE Scheme used for Pressure-Velocity coupling and the methods for Spatial Discretization are as per the below image.

                                                                                                

    10. Hybrid initialization is done. Numbers of iterations are set for running the steady simulation.

                                                  

11. The contours of temperature, mass fraction of all the species involved in the chemical reaction are created in CFD-Post in order to visualize and validate the essential features.

Initial Setup and Boundary Condition

Zone	Type	Boundary Condition	Additional conditions (if any)
Air Inlet	Velocity - Inlet	0.5 m/s	Steady State, Pressure Based, Absolute, Axis-symmetric   Switched ON Energy equation   Turbulence Model – k-epsilon
Fuel Inlet	Velocity - Inlet	80 m/s
Outlet	Pressure - Outlet	0 Pa
Interior-Volume	Interior	Interior
Wall	Wall	Stationary wall without slip

                                                                                                   

                                                                                        Fig. Cell Zone Conditions & Boundaries

                

      Fig. Air Inlet Boundary – Velocity Inlet                           Fig. Air Inlet Boundary – Thermal                               Fig. Air Inlet Boundary – Species

             

        Fig. Fuel Inlet Boundary – Velocity Inlet                          Fig. Fuel Inlet Boundary – Thermal                                Fig. Fuel Inlet Boundary – Species

5. RESULTS

• Case – 1 - Baseline         

                                                            

                                                                                                          Fig: Residuals - Baseline

                                                       

                                                                                                        Fig: Temperature Contour

                                                       

                                                                                                          Fig: Temperature Plot

                                                   

                                                                                                      Fig: Mass Fraction Contour of CO2

                                               

                                                                                                          Fig: Mass Fraction Plot of CO2

                                                  

                                                                                                       Fig: Mass Fraction Contour of H2O

                                                 

                                                                                                         Fig: Mass Fraction plot of H2O

                                                   

                                                                                                       Fig: Mass Fraction Contour of CH4

                                                  

                                                                                                            Fig: Mass Fraction plot of CH4

                                                    

                                                                                                           Fig: Mass Fraction Contour of N2

                                                     

                                                                                                              Fig: Mass Fraction plot of N2

                                                       

                                                                                                                Fig: Mass Fraction Contour of O2

                                                        

                                                                                                                     Fig: Mass Fraction plot of O2

                                                             

                                                                                                                  Fig: Mass Fraction Contour of NOx

                                                           

                                                                                                                   Fig: Mass Fraction plot of NOx

                                                         

                                                                                                                 Fig: Mass Fraction Contour of Soot

                                                        

                                                                                                                  Fig: Mass Fraction plot of Soot

• Case 2 – 5% H2O

                                                                  

                                                                                                                              Fig: Residuals

                                                       

                                                                                                                    Fig: Temperature Contour

                                                      

                                                                                                                       Fig: Temperature Plot

                                                        

                                                                                                                 Fig: Mass Fraction Contour of CO2

                                                         

                                                                                                                     Fig: Mass Fraction Plot of CO2

                                                        

                                                                                                                   Fig: Mass Fraction Contour of H2O

                                                         

                                                                                                                      Fig: Mass Fraction plot of H2O

                                                           

                                                                                                                        Fig: Mass Fraction Contour of CH4

                                                         

                                                                                                                           Fig: Mass Fraction plot of CH4

                                                          

                                                                                                                        Fig: Mass Fraction Contour of N2

                                                          

                                                                                                                         Fig: Mass Fraction plot of N2

                                                           

                                                                                                                       Fig: Mass Fraction Contour of O2

                                                             

                                                                                                                          Fig: Mass Fraction plot of O2

                                                            

                                                                                                                           Fig: Mass Fraction Contour of NOx

                                                           

                                                                                                                               Fig: Mass Fraction plot of NOx

                                                          

                                                                                                                           Fig: Mass Fraction Contour of Soot

                                                         

                                                                                                                           Fig: Mass Fraction plot of Soot

• Case 3 - 10% H2O

                                                                 

                                                                                                                          Fig: Residuals

                                                             

                                                                                                                  Fig: Temperature Contour

                                                    

                                                                                                                    Fig: Temperature Plot

                                                   

                                                                                                           Fig: Mass Fraction Contour of CO2

                                                     

                                                                                                                      Fig: Mass Fraction Plot of CO2

                                                    

                                                                                                                     Fig: Mass Fraction Contour of H2O

                                                   

                                                                                                                      Fig: Mass Fraction plot of H2O

                                                  

                                                                                                                 Fig: Mass Fraction Contour of CH4

                                                   

                                                                                                                       Fig: Mass Fraction plot of CH4

                                                    

                                                                                                                   Fig: Mass Fraction Contour of N2

                                                     

                                                                                                                       Fig: Mass Fraction plot of N2

                                                     

                                                                                                                        Fig: Mass Fraction Contour of O2

                                                      

                                                                                                                            Fig: Mass Fraction plot of O2

                                                       

                                                                                                                         Fig: Mass Fraction Contour of NOx

                                                       

                                                                                                                    Fig: Mass Fraction plot of NOx

                                                          

                                                                                                                   Fig: Mass Fraction Contour of Soot

                                                     

                                                                                                                    Fig: Mass Fraction plot of Soot

• Case 4 - 20% H2O

                                                              

                                                                                                                                  Fig: Residuals

                                                    

                                                                                                                       Fig: Temperature Contour

                                                   

                                                                                                                             Fig: Temperature Plot

                                                       

                                                                                                                    Fig: Mass Fraction Contour of CO2

                                                      

                                                                                                                     Fig: Mass Fraction Plot of CO2

                                                      

                                                                                                                 Fig: Mass Fraction Contour of H2O

                                                     

                                                                                                                    Fig: Mass Fraction plot of H2O

                                                        

                                                                                                                  Fig: Mass Fraction Contour of CH4

                                                         

                                                                                                                            Fig: Mass Fraction plot of CH4

                                                          

                                                                                                                             Fig: Mass Fraction Contour of N2

                                                           

                                                                                                                                Fig: Mass Fraction plot of N2

                                                          

                                                                                                                             Fig: Mass Fraction Contour of O2

                                                        

                                                                                                                                Fig: Mass Fraction plot of O2

                                                          

                                                                                                                              Fig: Mass Fraction Contour of NOx

                                                           

                                                                                                                                  Fig: Mass Fraction plot of NOx

                                                            

                                                                                                                                  Fig: Mass Fraction Contour of Soot

                                                           

                                                                                                                                      Fig: Mass Fraction plot of Soot

• Case 5 - 30% H2O

                                                                        

                                                                                                                                               Fig: Residuals

                                                          

                                                                                                                                       Fig: Temperature Contour

                                                          

                                                                                                                                               Fig: Temperature Plot

                                                          

                                                                                                                             Fig: Mass Fraction Contour of CO2

                                                          

                                                                                                                               Fig: Mass Fraction Plot of CO2

                                                       

                                                                                                                            Fig: Mass Fraction Contour of H2O

                                                           

                                                                                                                                Fig: Mass Fraction plot of H2O

                                                          

                                                                                                                              Fig: Mass Fraction Contour of CH4

                                                         

                                                                                                                                 Fig: Mass Fraction plot of CH4

                                                         

                                                                                                                                 Fig: Mass Fraction Contour of N2

                                                          

                                                                                                                          Fig: Mass Fraction plot of N2

                                                           

                                                                                                                          Fig: Mass Fraction Contour of O2

                                                           

                                                                                                                            Fig: Mass Fraction plot of O2

                                                          

                                                                                                                             Fig: Mass Fraction Contour of NOx

                                                            

                                                                                                                           Fig: Mass Fraction plot of NOx

                                                           

                                                                                                                        Fig: Mass Fraction Contour of Soot

                                                         

                                                                                                                              Fig: Mass Fraction plot of Soot

Study Results – Combustion of Natural Gas

                                       

     6. CONCLUSION

     1. Convergence plot shows that the residuals are oscillating in all cases but the fluctuation remains steady after around 200-300 iterations, hence can be considered as converged solution in all cases.

     2. The fuel (CH₄) mass fraction is reduced from 1 to 0.7 and water content is increased from 0 to 30 percent in the 5 cases taken into account.

     3. Simulation results shows that maximum temperature attained is about 2400 K in baseline case 1 i.e., without any water content.

     4. NOx is formed by different pathways such as Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx, N₂O Intermediate.

     5. The mass fraction of species such as N2, O2 are almost constant whereas the CO₂ content has reduced very little in third decimal from case 1 to case 3 and again the case 4 has increased as the temperature is also increased.

6. Simulation contours shows the NOx emission at the outlet of the combustor. We can observe that the NOx mass fraction reduces with decrease in temperature (Thermal NOx) in first 3 cases and there is an imbalance in case 4 and 5.
7. The mass fraction charts shows that the soot formation is reducing from 2 to case 4 as the water content is increasing and for the case 1 and case 5 there is imbalance.
8. The imbalance could be because of the some numerical error and can be rectified by setting/ slight changes in the solver conditions.
9. Hence addition of water content in the fuel from 5% to 30% the maximum temperature, NOx and Soot formation reduces the harmful emission in general and further study will help us find the optimum conditions to satisfy the stringent government emission norms.

    7. REFERENCES

1. https://cfdflowengineering.com/cfd-modeling-pollutants-nox-sox-and-soot/

2. https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/node651.htm

3. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/combst1.html

4. https://www.britannica.com/science/chemical-kinetics

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion