Projekt

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Tomorrow's Sequential Combustion Technologies for Low Emissions and High Fuel Flexibility

Gesuchsteller/in Noiray Nicolas
Nummer 160579
Förderungsinstrument Assistant Professor (AP) Energy Grants
Forschungseinrichtung Institut für Energietechnik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Fluiddynamik
Beginn/Ende 01.09.2015 - 31.08.2019
Bewilligter Betrag 1'195'704.00
Alle Daten anzeigen

Keywords (10)

fluid mechanics; combustion; acoustics; thermoacoustics; control theory; gas turbine; fuel flexibility; syngas; biogas; operational flexibility

Lay Summary (Französisch)

Lead
Dans le monde, 90 pourcents de l’énergie consommée résulte de la combustion et cette dernière restera la source d’énergie dominante pour les prochaines décennies. L’augmentation massive de la part des énergies renouvelables cause des problèmes de stabilité des réseaux électriques en raison de leur caractère intermittent. Contrairement aux centrales nucléaires ou à charbon, les turbines a gaz sont capables de compenser ces fluctuations rapides de la production. Elles vont ainsi jouer un rôle crucial dans les réseaux de demain du fait de leur flexibilité d’opération, de leur haut rendement et de leurs émissions de CO2 moitié moins importantes que celles des centrales à charbon. Augmenter la flexibilité des combustibles utilisés (gaz naturel, gaz de synthèse riche en hydrogène ou encore gaz issu de la biomasse) tout en garantissant une combustion stable et de très faibles émissions d’oxydes d’azote constitue le grand challenge dans lequel s'inscrit ce projet de recherche.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche

Notre principal objectif est de développer des méthodes pour la prédiction et le contrôle des instabilités de combustion dans un nouveau type de chambre qui équipera les prochaines générations de turbines à gaz. Ce saut technologique se base sur une architecture de combustion séquentielle à pression constante. En particulier, nous allons (i) identifier les mécanismes fondamentaux à l’origine des phénomènes de résonance résultant des couplages non-linéaires entre l’écoulement réactif, l’acoustique du système et les ondes d’entropie, (ii) développer des outils théoriques et numériques permettant de prédire les instabilités de combustion, (iii) valider expérimentalement ces méthodes au moyen de bancs génériques et (iv) développer un système de contrôle actif par plasma froid.

 

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Notre travail génèrera des outils théoriques et numériques indispensables au développement et à l’optimisation des chambres de combustion séquentielles équipant les turbines à gaz de demain. Ces systèmes à faibles émissions polluantes procureront une bien meilleure flexibilité en termes d’opération et de combustibles, une puissance et un rendement accrus par rapport aux systèmes modernes ainsi que la capacité à compenser les fluctuations de production inhérentes aux énergies solaires et éoliennes.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 24.08.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Plasma enhanced auto-ignition in a sequential combustor
Xiong Yuan, Schulz Oliver, Bourquard Claire, Weilenmann Markus, Noiray Nicolas (2018), Plasma enhanced auto-ignition in a sequential combustor, in Proceedings of the Combustion Institute, 1-1.
Synchronization of Thermoacoustic Modes in Sequential Combustors
Bonciolini Giacomo, Noiray Nicolas (2018), Synchronization of Thermoacoustic Modes in Sequential Combustors, in Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 141(3), 031010-031010.
Large Eddy Simulation of a Premixed Flame in Hot Vitiated Crossflow With Analytically Reduced Chemistry
Schulz Oliver, Noiray Nicolas (2018), Large Eddy Simulation of a Premixed Flame in Hot Vitiated Crossflow With Analytically Reduced Chemistry, in Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 141(3), 031014-031014.
Thermoacoustic instability in a sequential combustor: Large eddy simulation and experiments
Schulz O., Doll U., Ebi D., Droujko J., Bourquard C., Noiray N. (2018), Thermoacoustic instability in a sequential combustor: Large eddy simulation and experiments, in Proceedings of the Combustion Institute, 1-1.
Ignition of a sequential combustor: Evidence of flame propagation in the autoignitable mixture
Ebi D., Doll U., Schulz O., Xiong Y., Noiray N. (2018), Ignition of a sequential combustor: Evidence of flame propagation in the autoignitable mixture, in Proceedings of the Combustion Institute, 1-1.
Effect of wall thermal inertia upon transient thermoacoustic dynamics of a swirl-stabilized flame
Bonciolini Giacomo, Ebi Dominik, Doll Ulrich, Weilenmann Markus, Noiray Nicolas (2018), Effect of wall thermal inertia upon transient thermoacoustic dynamics of a swirl-stabilized flame, in Proceedings of the Combustion Institute, 1-1.
Autoignition Flame Dynamics in Sequential Combustors
Schulz Oliver, Noiray Nicolas (2018), Autoignition Flame Dynamics in Sequential Combustors, in Combustion & Flame, 0.
Experiments and modelling of rate-dependent transition delay in a stochastic subcritical bifurcation
Bonciolini Giacomo, Ebi Dominik, Boujo Edouard, Noiray Nicolas (2018), Experiments and modelling of rate-dependent transition delay in a stochastic subcritical bifurcation, in Royal Society Open Science, 5(3), 172078-172078.
Flame Dynamics Intermittency in the Bi-Stable Region Near a Subcritical Hopf Bifurcation
Ebi d., Denisov A., Bonciolini Giacomo, Boujo Edouard, Noiray Nicolas (2018), Flame Dynamics Intermittency in the Bi-Stable Region Near a Subcritical Hopf Bifurcation, in Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 0.
Output-only parameter identification of a colored-noise-driven Van-der-Pol oscillator: Thermoacoustic instabilities as an example
Bonciolini Giacomo, Boujo Edouard, Noiray Nicolas (2017), Output-only parameter identification of a colored-noise-driven Van-der-Pol oscillator: Thermoacoustic instabilities as an example, in Physical Review E, 95(6), 062217-1-062217-15.
A criterion to distinguish autoignition and propagation applied to a lifted methane–air jet flame
Oliver Schulz Thomas Jaravel Thierry Poinsot Benedicte Cuenot Nicolas Noiray (2017), A criterion to distinguish autoignition and propagation applied to a lifted methane–air jet flame, in Proceedings of the Combustion Institute, 1.
A criterion to distinguish autoignition and propagation applied to a lifted methane–air jet flame
Schulz Oliver, Jaravel T., Poinsot T., Cuenot B., Noiray Nicolas (2017), A criterion to distinguish autoignition and propagation applied to a lifted methane–air jet flame, in Proceedings of the Combustion Institute, 36(2), 1637-1644.
Autoignition-cascade in the windward mixing layer of a premixed jet in hot vitiated crossflow
, Autoignition-cascade in the windward mixing layer of a premixed jet in hot vitiated crossflow, in Combustion and Flame, 1.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Combustion Research Laboratory at the Paul Scherrer Institute Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
CERFACS, Toulouse Frankreich (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
37th International Symposium on Combustion 2018 Vortrag im Rahmen einer Tagung Thermoacoustic instability in a sequential combustor: Large eddy simulation and experiments 29.07.2018 Dublin, Irland Noiray Nicolas; Schulz Oliver;
37th International Symposium on Combustion 2018 Vortrag im Rahmen einer Tagung Plasma enhanced autignition in a sequential combustor 29.07.2018 Dublin, Irland Noiray Nicolas; Schulz Oliver; Xiong Yuan;
37th International Symposium on Combustion 2018 Vortrag im Rahmen einer Tagung Effect of wall thermal inertia upon transient thermoacoustic dynamics of a swirl-stabilized flame 29.07.2018 Dublin, Irland Noiray Nicolas; Bonciolini Giacomo;
37th International Symposium on Combustion 2018 Vortrag im Rahmen einer Tagung Ignition of a sequential combustor: Evidence of flame propagation in the autoignitable mixture 29.07.2018 Dubin, Irland Schulz Oliver; Noiray Nicolas; Xiong Yuan;
Workshop on Premixed Turbulent Flames Einzelvortrag Combustion dynamics in sequential combustors 26.07.2018 Dublin, Irland Noiray Nicolas;
18th International Symposium on Flow Visualization (ISFV18) Vortrag im Rahmen einer Tagung Noise analysis and reduction in high-framing-rate background oriented 26.06.2018 Zurich, Schweiz Xiong Yuan; Noiray Nicolas;
ASME 2018 Turbo Expo Vortrag im Rahmen einer Tagung Synchroniszation of thermoacoustic modes in sequential combustors 11.06.2018 Oslo, Norwegen Noiray Nicolas; Bonciolini Giacomo;
ASME 2018 Turbo Expo Vortrag im Rahmen einer Tagung Large eddy simulation of a premixed flame in hot vitiated crossflow with analytically reduced chemistry 11.06.2018 Oslo, Norwegen Schulz Oliver; Noiray Nicolas;
Joint meeting the German and Italian Section of the Combustion Institute Vortrag im Rahmen einer Tagung The transition from autoignition to propagation at elevated temperatures obtained from 1-D 04.06.2018 Sorrento, Italien Schulz Oliver;
70th Annual Meeting of the APS Division on Fluid Dynamics 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Large eddy simulations of a reactive jet in hot vitiated cfossflow: flame stabilisation mechanism 19.11.2017 Denver, Colorado, Vereinigte Staaten von Amerika Noiray Nicolas; Schulz Oliver;
ICDERS 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Subcritical thermoacoustic bifurcation in turbulent combustors: effects of inertia 01.08.2017 Boston, Vereinigte Staaten von Amerika Bonciolini Giacomo; Noiray Nicolas;
ASME Turbo Expo 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Flame dynamics intermittency in the bi-stable region near a subcritical Hopf bifurcation 21.06.2017 Charlotte, Vereinigte Staaten von Amerika Bonciolini Giacomo; Noiray Nicolas;
ENOC 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Inertial effects in thermoacoustic subcritical bifurcation 21.06.2017 Budapest, Ungarn Noiray Nicolas; Bonciolini Giacomo;
16th SIAM International Conference on Numerical Combustion Vortrag im Rahmen einer Tagung Flame Dynamics of a second stage Sequential Combustor flame 03.04.2017 miami, Vereinigte Staaten von Amerika Noiray Nicolas; Schulz Oliver;
GE Thermoacoustic Summit Vortrag im Rahmen einer Tagung Combustion Dynamics and Control – Reduced Chemistry for Large Eddy Simulations of Autoignition 16.02.2017 Baden, Schweiz Noiray Nicolas;
Global Power and Propulsion Forum GPPF Vortrag im Rahmen einer Tagung Combustion Regimes in Sequential Combustors 16.01.2017 zurich, Schweiz Schulz Oliver; Noiray Nicolas;
36th International Symposium on Combustion 2016 Vortrag im Rahmen einer Tagung A criterion to distinguish autoignition and propagation applied to a lifted methane-air jet flame 22.08.2016 Seoul, Korea, Republik (Südkorea) Noiray Nicolas; Schulz Oliver;
Thermoacoustic Instabilities in Gas Turbines and Rocket Engines: Industry meets Academia Vortrag im Rahmen einer Tagung Autoignition Flame Dynamics in Sequential Combustors 30.05.2016 Institute for Advance Study, Technische Universität München, Deutschland Noiray Nicolas; Schulz Oliver;
Thermoacoustic Instabilities in Gas Turbines and Rocket Engines: Industry meets Academia Vortrag im Rahmen einer Tagung Effect of turbulence-induced colored noise on thermoacoustic instabilities in combustion chambers 30.05.2016 Institute for Advance Study, Technische Universität München, Deutschland Bonciolini Giacomo; Noiray Nicolas;


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen EPFL IGM Colloquium International 2018
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen Swiss Combustion Day 2017 Deutschschweiz 2017
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen ETH Industry Day 2016 International 2016
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen Inaugural Lecture of Nicolas Noiray: The Sound of Flames International 2015
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen Swiss Combustion Day 2015 Deutschschweiz 2015

Auszeichnungen

Titel Jahr
"Best Scientific Paper and Presentation" at the International Symposium on Thermoacoustic Instabilities (May 2016, Institute for Advanced Study, Technische Universität München) 2016

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
165922 The physics of baryons at high and low-redshift; from the earliest galaxies and massive black holes to galactic coronae 01.09.2016 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

The proposed research aims at developing a novel theoretical and numerical framework to predict and control combustion instabilities in a new type of combustion chambers for the next generation of heavy-duty gas turbines. This technology step change is based on constant pressure sequential combustion architectures and provides higher fuel and operational flexibility and higher efficiency and power compared to modern single stage combustion chambers. In particular, it will be fuel-flexible and capable of burning conventional gaseous and liquid fuels as well as bio- and syn(thetic)- gas on demand. This research will provide essential tools for sequential combustor development and optimisation. Active control of combustion instabilities in sequential combustion systems using non-thermal plasma will also be investigated at high pressure, which is the first step toward a practical usage of this control technology and which could constitute a further improvement of the constant pressure sequential combustion systems.
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