더위가 시작되었습니다
지구가 더워지고 있습니다. 우리 시대의 가장 큰 엔지니어링 과제는 우리가 알고 있는 세상을 만드는 데 도움을 준 시스템을 지속 가능한 제품으로 전환하는 것입니다. 연소 CFD의 애플리케이션 엔지니어로서 저는 많은 산업 분야의 많은 고객들이 메탄, 프로판, 휘발유, 디젤 등의 연소를 시뮬레이션하는 데 도움을 주었습니다. 물론 목표는 항상 시뮬레이션을 사용하여 배출량을 최소화하고 성능을 최대화하는 효율적인 연소 시스템을 설계하는 것입니다. 그러나 이러한 연소 시스템, 내연 기관, 가스 터빈, 프로세스 버너의 경우 탄소 발자국을 줄이기 위해 열이 사용됩니다.
화석 연료를 태우는 연소 시스템의 탁월한 설계는 지금까지만 가능합니다. 엔지니어의 큰 초점은 이제 전자 연료, 수소 또는 암모니아와 같은 대체 연료를 연소할 연소 시스템을 처음부터 적용하거나 설계하는 것입니다.
아이스, 아이스 베이비
자동차 산업의 탈탄소화는 연소 시스템의 "정화"를 고려할 때 대부분의 사람들이 생각하는 것입니다. 내연 기관(ICE)과 배터리 구동 차량 사이의 오랜 논쟁에 대해 논의하는 많은 기사와 칼럼 인치가 있습니다. 궁극적으로 ICE는 배터리를 사용할 수 없는 산업에서 앞으로 나아가야 할 것이며 무시할 수 있는 CO2 배출량을 생성하도록 작동할 수 있다면 미래 운송에서 혼합의 일부를 형성해야 합니다.
다행스럽게도 Simcenter STAR-CCM+는 시뮬레이션을 활용하여 이러한 시스템을 설계할 수 있는 도구를 추가했습니다. 따라서 지난 몇 년 동안 Simcenter STAR-CCM+는 새로운 연료 및 배출량을 분석할 수 있도록 지속적으로 개선되었습니다.
In-Cylinder 용도로 사용하도록 제안된 연료는 기본적으로 다른 반응 특성을 가질 수 있습니다. 한 가지 중요한 예는 층류 화염 속도(LFS)입니다. Simcenter STAR-CCM+에서는 모든 연료 혼합에 대한 LFS를 직접 계산하고 이를 Flamelet, ECFM 및 복합 화학 연소 모델과 함께 사용할 수 있습니다. 아래에서 Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution을 사용하여 시뮬레이션이 수행된 가솔린과 수소의 혼합물을 연료로 사용하는 ICE의 예를 볼 수 있습니다 .
이 방법론은 수소 비율의 함수로서 미가공 배출량의 정량적 예측을 허용합니다.
문제는 어디에?
해상 운송은 모든 온실 가스 배출량의 약 2.5%를 차지하지만 전 세계 상품의 90%가 이러한 방식으로 운송되기 때문에 필수적입니다. 전기화가 실행 가능한 접근 방식인 사용 사례가 있을 수 있지만 대형 캐리어의 경우 배터리(단독)가 솔루션이 될 수 없습니다. 해상 추진 시스템을 설계하는 엔지니어는 설계 과정에서 기존 연료 사용의 배를 흔들고 다른(탈탄소화된) 연료를 탐색해야 합니다.
그러한 옵션 중 하나는 암모니아를 사용하는 것입니다 . 암모니아는 CO2 발생 없이 태울 수 있고 비교적 저장이 용이해 해양 산업의 미래 연료로 좋은 후보입니다. 암모니아에 대한 물류(유통, 가용성)가 정리되면 가까운 미래에 내연기관 개발의 최우선 주제가 될 수 있습니다. 그러나 잠재력에도 불구하고 암모니아는 높은 점화 에너지가 요구되는 것과 같은 고유한 문제가 있습니다. 이러한 이유로 암모니아는 연소 과정을 시작하기 위해 소량의 디젤과 함께 사용할 수 있습니다. 궁극적으로 이것은 여전히 전통적인 화석 연료 사용보다 훨씬 더 깨끗한 연소를 제공합니다.
설계자는 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 이 프로세스를 이해할 수 있습니다. 아래 예에서는 다양한 분사 타이밍과 각도에서 암모니아 및 디젤 제트를 연구합니다.
예를 들어 두 연료 스프레이의 상호 작용이 불충분하거나 너무 강한 특정 조건에서는 실화가 발생할 수 있습니다 . 이를 정확하게 시뮬레이션할 수 있으면 광범위한 테스트의 필요성이 줄어들고 이러한 시나리오를 피하기 위해 설계하는 방법을 자세히 이해할 수 있습니다.
Complex Chemistry 연소 모델을 사용하여 정상적인 연소뿐만 아니라 실화 사례에 대한 탁월한 예측이 가능합니다.
시뮬레이션으로 지구를 지켜주세요
제로 배출 시스템을 설계하기 위해 적절한 엔지니어링을 수행할 수 있는 연소 엔지니어에게 필요한 도구는 무엇일까요? 대부분의 산업용 CFD 시뮬레이션은 HPC(고성능 컴퓨팅)에 의존하며 숫자를 계산하려면 필연적으로 자체 탄소 발자국을 수반하는 에너지가 필요합니다.
British Computing Society의 기사는 문제를 강조하고 HPC 데이터 센터의 CO2 배출량이 향후 10년 동안 2-9배 증가할 것으로 예상된다고 말합니다.
분명한 행동 방침은 CFD 시뮬레이션에 전력을 공급하는 에너지를 청소하는 것이지만, 그것은 우리가 통제할 수 없을 가능성이 높습니다. 하지만 Simcenter STAR-CCM+ 2306을 통해 연소 엔지니어는 이제 GPU 네이티브 Flamelet 연소 모델링을 활용할 수 있습니다. GPU 하드웨어를 활용하면 엔지니어는 훨씬 적은 에너지를 사용하여 시뮬레이션을 실행할 수 있고 배출량과 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 일반적으로 답을 더 빨리 얻을 수 있습니다.
따라서 연소 시스템(이 경우에는 가압 환형 연소기[1])을 사용하여 생성되는 CO2 배출량을 줄이기 위해 연료에 약간의 수소를 추가해 봅시다.
저는 과거에 수소를 추가하는 단순한 행위가 어떻게 연소 시스템의 열음향 안정성을 망칠 수 있는지에 대해 이야기한 적이 있습니다 . 열음향 거동을 정확하게 예측하기 위해 Flamelet Generated Manifold 연소 모델과 결합된 고충실도 LES를 사용하여 이 시스템을 분석할 수 있으므로 모든 것이 손실되지 않습니다[2]. 그리고 이 모든 것이 기본적으로 GPU에서 수행될 수 있습니다.
최종 결과는 무려 50% 더 빠르고 60% 더 적은 에너지를 사용하고 42% 더 저렴한 솔루션입니다. 더 중요한 것은 수소 추가로 인해 생성된 열음향 불안정성의 주파수도 훌륭하게 예측되므로 설계하거나 완화할 수 있다는 것입니다.
우리가 여기에 있는 것은 Simcenter STAR-CCM+에서 영감을 받은 탄소 배출 개시의 사례입니다. 배출량을 줄이도록 설계하는 것이 뜨거워지는 지구를 구하는 첫 걸음입니다.
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