Experimental and Numerical Investigation of Stability and Emission Characteristics of H2/N2/Air Flames in a Micromixer Gas Turbine Combustor. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Draft_ Shehab Mansour.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 11 May 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تناول هذه الرسالة دراسة أداء احتراق الوقود الغني بالهيدروجين الناتج عن تكسير الأمونيا في موقد متعدد الفتحات من نمط الميكروميكسَر، وذلك تحت ظروف الاحتراق المسبق الخلط وقليل الوقود عند الضغط الجوي. ونظرًا لما تتسم به هذه الأنواع من الوقود من تفاعلية عالية وقابلية كبيرة للانتشار، فإنها تكون أكثر عرضة لظاهرة الارتداد اللهبي عند الطبقة الجدارية وعدم الاستقرار الاحتراقي. واعتمدت الدراسة على منهجية تكاملية جمعت بين التحليل التجريبي والمحاكاة العددية لفحص حدود الارتداد اللهبي، وبنية الجريان، والمجالات الحرارية، وكيمياء الجذور الحرة، وانبعاثات أكاسيد النيتروجين لخلائط الهيدروجين–النيتروجين الممثلة للوقود الناتج عن تكسير الأمونيا. تجريبيًا، جرى إعداد خرائط استقرارية لنسب هيدروجين تراوحت بين 65–100% ولسرعات سريان بلغت 5 و7 و9 م/ث، وأظهرت النتائج ثلاثة أنظمة تشغيلية رئيسة: احتراق مستقر، ومنطقة ضيقة لعدم الاستقرار الديناميكي، وارتداد لهبي عند الطبقة الجدارية. وبينت النتائج أن الارتداد اللهبي تحكمه أساسًا قوة دفع النفث؛ إذ إن زيادة سرعة السريان تُزحزح حد الارتداد اللهبي نحو الخلائط الأكثر غنى وتوسع مجال التشغيل، في حين يؤدي ارتفاع النسبة الحجمية للهيدروجين إلى انتقال هذا الحد نحو الخلائط الأكثر افتقاراً للوقود. كما تسمح السرعات الأعلى بتحقيق كثافة قدرة أكبر وهبوط ضغط أعلى عند حد الارتداد اللهبي. وأظهرت صور اللهب وقياسات درجة الحرارة تحسن الخلط، وانتقال منطقة أعلى درجة حرارة إلى مواضع أبعد باتجاه مخرج الحارق، وازدياد النشاط الحراري قرب الجدران مع ارتفاع سرعة السريان. أما عدديًا، فقد تبين أن مجال الجريان يتأثر أساسًا بسرعة السريان، في حين تهيمن درجة حرارة اللهب الأدياباتيكية على البنية الحرارية وتكوين الجذور الحرة وتوليد أكاسيد النيتروجين. وتجريبيًا، انخفضت انبعاثات أكاسيد النيتروجين مع زيادة نسبة الهيدروجين وارتفعت مع زيادة سرعة السريان، بينما أعادت المحاكاة العددية إنتاج هذه الاتجاهات رغم مبالغتها الكمية في تقدير الانبعاثات تحت أشد الظروف. وتؤكد النتائج، في مجملها، أن تحقيق تشغيل مستقر لمواقد الميكروميكسَر الغنية بالهيدروجين يتطلب موازنة مقاومة الارتداد اللهبي عبر التحكم في الزخم، مع ضبط العوامل الحرارية والكيميائية المرتبطة بعدم الاستقرار وتكوين أكاسيد النيتروج.

English Abstract

This thesis presents an experimental and numerical investigation of lean premixed H2/N2/air flames in a multi-hole micromixer-type gas turbine combustor, with emphasis on flashback stability, flame structure, thermal behavior, and NOx emissions. The experimental combustor used a 61-hole, operating at atmospheric pressure with jet velocities of 5, 7, and 9 m/s. The fuel mixtures covered hydrogen fractions from 65% to 100%, where 75% H2/25% N2 represents the fully cracked-ammonia fuel, and pure hydrogen corresponds to 100% H2. The investigated thermal conditions corresponded mainly to adiabatic flame temperatures of 1325, 1400, and 1475 K. The experiments showed that increasing jet velocity improved flashback resistance by shifting the flashback limit to richer mixtures. For pure hydrogen, the flashback equivalence ratio increased from approximately 0.52 at 5 m/s to 0.59–0.60 at 9 m/s. For cracked ammonia, the corresponding flashback limit increased from about 0.66 at 5 m/s to about 0.77 at 9 m/s. Thus, the cracked-ammonia mixture provided a larger flashback margin than pure hydrogen at the same jet velocity. At 9 m/s, the cracked-ammonia case also sustained a higher power density before flashback, approximately 7.0 MW/m³·bar, compared with about 5.8 MW/m³·bar for pure hydrogen. The pressure drop at flashback increased with jet velocity from about 11.5–12.2 Pa at 5 m/s to 34–39 Pa at 9 m/s. Temperature measurements showed that hydrogen enrichment increased the thermal intensity of the flame. For pure hydrogen at ϕ = 0.421, the peak measured centerline temperature increased from about 1335 K at 5 m/s to 1350 K at 7 m/s and 1380 K at 9 m/s. Reducing the hydrogen fraction from 100% to 65% lowered the axial temperature profiles by approximately 100–200 K, confirming the cooling effect of nitrogen dilution. Flame images showed that the transition from stable combustion to flashback occurred through boundary-layer flashback, where the reaction zone moved upstream along the low-velocity near-wall region. The emission results showed that cracked ammonia produced lower NOx than pure hydrogen under the same adiabatic flame temperature. At AFT = 1475 K, the NOx emissions corrected to 15% O2 for cracked ammonia were 22, 23, and 25 ppm at 5, 7, and 9 m/s, respectively. For pure hydrogen, the corresponding values were 27.53, 31.71, and 35.67 ppm. Therefore, using cracked ammonia instead of pure hydrogen reduced NOx by approximately 20%, 27%, and 30% at 5, 7, and 9 m/s, respectively. Intermediate hydrogen enrichment did not provide a better combined result: increasing the hydrogen fraction to 85% raised NOx to 24.39, 27.95, and 28.59 ppm, while pure hydrogen gave the highest NOx among the compared fuels. Numerically, a three-dimensional ANSYS Fluent model was developed using one-sixth of the combustor domain, the standard k–ε turbulence model, Species Transport with finite-rate/eddy-dissipation chemistry, Discrete Ordinates radiation, and reduced hydrogen mechanism. The numerical model reproduced the main temperature trends and showed that the flow field was governed primarily by jet velocity, while temperature, OH formation, and NO production were governed mainly by adiabatic flame temperature. Predicted NOx increased from 13–32 ppm at 1325 K to 24–60 ppm at 1475 K for pure hydrogen, and from 12–32 ppm to 22–55 ppm for cracked ammonia over the same velocity range. Introducing 25% N₂ into the fuel reduced the predicted NOx by about 8–27% in most cases. Overall, the results show that cracked ammonia, represented by 75% H₂/25% N2, gives the better overall performance in this combustor when flashback resistance and low NOx emissions are prioritized. Pure hydrogen provides stronger reactivity and higher flame temperature, but it suffers from earlier flashback and higher NOx. Therefore, direct use of fully cracked ammonia is more favorable than complete separation to pure hydrogen for stable, low-emission operation in the tested micromixer-type combustor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Mohammed Habib,
Thesis Committee Members:	Medhat Nemitallah, Ahmed Abdelhafez,
Depositing User:	SHEHAB MANSOUR (g202390930)
Date Deposited:	12 May 2026 11:18
Last Modified:	12 May 2026 11:18
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144228