Experimental Study of Low Density Micro Jets in Crossflow for Hydrogen Injection in Gas Turbines

Hydrogen emerges as a compelling alternative fuel for power generation in gas turbine sys- tems due to its carbon free combustion, aligning with global efforts to reduce fossil fuel consumption. Recently developed burner geometries often employ sub millimeter diameter jets in crossflow to inject gaseous hydrogen into the oxidizer stream. This "Micromix" con- figuration not only aids in reducing the likelihood of flame flashback, but also benefits from the intense mixing caused by multiple jets in crossflow. This lowers the mixture residence time at high temperatures, helping to reduce harmful NOx emissions. The jet in crossflow (JICF) configuration plays an important role in the design of Micromix combustors and causes complex flow structures downstream of the injection point. Studies of jets in crossflow mostly focus on single jet geometries and not on low density gas injec- tion through multiple micro jets. To better understand this novel Micromix fuel injection technique, the present research utilizes high-speed particle image velocimetry (PIV) and Mie scattering based image analysis to obtain velocity and mixing fields over three measuring planes. The experimental campaign takes place in a 50 by 50 mm square cross-section chan- nel, featuring one to eight jets of 0.8 mm diameter, enabling a crossflow Reynolds number of Re∞ = 7000 and jet Reynolds number from Rej = 15 to 300. The main objective is to investigate the effect of jet velocity and jet array spacing on the flow field. To this end, 10 kHz recordings of the particle seeded flow are taken with different jet velocities, a low density ratio of 0.14 and jet-to-jet spacing of l = 1.5, 2.12 and 5.25. Key results show that as the jet-to-crossflow momentum flux ratio increases, shear layer instabilities start to develop and increase in size. Measurements in the transverse plane also show the evolution of counter-rotating vortex pairs (CVPs) interacting together, which grow in size as the jet spacing is reduced and are stretched vertically compared to single JICF recordings. For a fixed low density ratio of S = 0.14, modeling micro jet array trajectories is best done with R scaling. The time-averaged PIV vector fields also show a recirculation zone behind the array of jets. This low velocity flow reversal zone increases in size with higher jet-to-crossflow velocity ratios and more closely spaced arrays. The shear layer position is tracked in time, enabling frequency analysis and comparison between test cases. Single low density jets show lower near-field shear layer oscillation frequency compared to closely spaced arrays that mix together and break coherent structures easily. Tightly spaced arrays of JICF help the shear layer vortices to escape globally unstable modes to improve mixing, but also create a strong recirculation zone, which is detrimental in gas turbine combustors.

Résumé

L’hydrogène se présente comme un carburant alternatif convaincant pour les systèmes de turbines à gaz en raison de sa combustion sans carbone. Cela s’aligne avec les efforts mondi- aux de décarbonation de l’énergie. Plusieurs géométries de brûleurs à hydrogène développés récemment utilisent des micro-jets submillimétriques pour injecter ce carburant dans un flux d’oxydant transverse. Cette configuration «micromix» permet non seulement de réduire les probabilités de retour de flamme, mais bénéficie du mélange intense causé par de multi- ples jets en écoulement transverses. Cela réduit le temps de résidence du mélange à hautes températures, aidant à réduire les émissions nocives de NOx. Les jets en écoulement transverse provoquent des structures d’écoulement complexes et insta- tionnaires. Les études antérieures sur ce type d’écoulement se concentrent sur un jet unique, et non sur l’injection de gaz peu dense à travers plusieurs microjets en série. Pour mieux comprendre cette technique novatrice d’injection d’hydrogène, ce projet de recherche utilise la vélocimétrie par images de particules pour obtenir des champs de vitesse et de concentration de particules ensemencées sur trois plans de mesure. La campagne expérimentale utilise un banc d’essai à écoulement transverse de vitesse U∞ = 2 m/s, avec un à huit jets de 0.8 mm de diamètre, caractérisé par un nombre de Reynolds entre Rej = 30 et 300. L’objectif principal est d’étudier l’effet de la géométrie et de la vitesse des jets sur l’écoulement. À cette fin, des enregistrements à une fréquence d’acquisition de 10 kHz sont effectués avec des vitesses de jets entre 5 et 50 m/s, un ratio de densité de S = 0.14 et un espacement adimensionnel entre les jets de l/d = 1.5, 2.12 et 5.25. Les résultats principaux montrent que de fortes instabilités sont générées dans l’écoulement lorsque la vitesse des jets augmente. Des images dans le plan transversal montrent également l’évolution de paires de vortex contrarotatifs (CVP) qui interagissent ensemble, et s’étirent verticalement quand l’espacement est réduit entre les jets. Pour un rapport de densité fixe, les trajectoires de micro-jets en série sont bien modélisées avec le rapport de vitesse R. Les champs de vecteurs PIV moyens montrent également une zone de recirculation derrière les jets. Cette zone à faible vitesse s’agrandit pour des séries de jets plus rapprochées. La position des instabilités est aussi suivie dans le temps, permettant une analyse fréquentielle. Les jets uniques ont une fréquence d’oscillation plus basse que les séries de jets à espacement réduit, qui se mélangent et décomposent les structures cohérentes. Les séries de jets compactes défavorisent les modes globalement instables, ce qui améliore le mélange, mais ils créent une zone de recirculation défavorable dans les chambres à combustion des turbines à gaz.