Master's Thesis

Advanced computational methods for combustion of solid fuels

Final Thesis 2.96 MB Appendix 577.17 kB

Author of thesis: Ing. Jiří Strouhal

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: Ing. Tomáš Juřena, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Abstract:

The aim of this thesis was to create a model of thermal conversion of solid fuel. This is achieved by means of standard modelling tools included in software ANSYS Fluent in combination with user-defined functions (UDF). In first part of thesis basic approaches to CFD modelling of solid fuel combustion are presented. Building of a mathematical model and corresponding algorithms follows. Individual parts of a created model and its parts are tested on simple physical cases and then on case of experimental reactor for analysing biomass combustion.

Keywords:

computational fluid dynamics, grate firing, biomass firing, packed bed model, fuel drying, straw combustion

Date of defence

17.10.2019

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znakmkaCznamka

Grade

C

Process of defence

Byly položeny a zodpovězeny otázky oponenta práce. Dotaz na původ a vysvětlení údajů z tab. 2.3 (podíl hořlaviny), zodpovězeno. Dotaz na možné uplatnění výsledků práce, zodpovězeno. Dotaz na vysvětlení funkce zářiče v předmětném zařízení, zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study branch

Power Engineering

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Fiedler, Dr. (předseda)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
Ing. Zdeněk Jůza, Ph.D., MBA (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Juřena, Ph.D.

Téma práce souvisí s dlouhodobým záměrem Ústavu procesního inženýrství vytvořit prakticky realizovatelnou a využitelnou metodu pro simulace spalování tuhých paliv v průmyslových roštových kotlech. Navazuje tak na sérii dřívějších implementací různých přístupů modelování, přičemž přístup využitý v této práci zatím odzkoušen nebyl.
Téma se řadí spíše mezi obtížné práce z důvodů velikosti rozsahu potřebných znalostí v oblastech fyziky, chemie, matematiky, práce s CFD software a  programování, nutnosti pracovat s anglickou literaturou převážně vědecko-výzkumného charakteru a časové náročnosti samotných simulací.
Diplomant prokázal, že disponuje řadou výše uvedených schopností. Avšak omezená byla jeho schopnost komunikovat a hlavně dodržovat smluvené termíny pravidelných reportů při postupu řešení. To se projevilo nejvíce v závěru, kdy se na poslední chvíli snažil řešit spoustu problémů a zároveň psát samotný text práce. Díky tomu textová část vykazuje řadu nedostatků, obsahuje překlepy, neúplné (i když pochopitelné) věty, v obrázcích chybné reference (ty správné práce přitom v seznamu uvedeny jsou, jedná se tudíž o nedůslednost při finální kontrole), závěry jsou velmi strohé,  naznačená bilance systému je matoucí, diskuse o možnostech praktického nasazení metody zcela chybí.
Naproti tomu jednoznačným přínosem diplomanta je vlastní knihovna uživatelských funkcí, kterou sám naprogramoval a která je zároveň jádrem práce. Zde se nejvíce projevily schopnosti studenta orientovat se v rovnicích matematické fyziky, porozumět modelovaným dějům a implementovat model do poměrně obsáhlého a (navzdory mým apelům na jednoduchost) obecného kódu v jazyce C. Kód je na mnoha místech doplněn o vhodné komentáře a fyzikální jednotky. Je škoda, že v textu práce je jeho popisu věnováno méně prostoru, než by si zasloužil, čímž se jeho využití jiným uživatelem stává komplikovanějším. Jedním z důležitých bodů byla úprava modelu diskrétních směrů pro přenos energie radiací v porézní zóně. Součástí jsou i funkce pro bilanční kontrolu v průběhu výpočtu, které nejsou nezbytné pro samotnou simulaci, nicméně nezbytné pro ladění a kontrolu výpočtu.
Diplomant správně zvolil postup, v němž implementovaný model nejprve otestoval na zjednodušené 2D geometrii a až následně demonstroval jeho použitelnost na vhodně zvolené spalovací komoře experimentálního reaktoru. Z časových důvodů bohužel nedošlo na plnou simulaci spalování, demonstrován je postup čela sušení paliva.
Ačkoli k praktickému nasazení tohoto modelu a celkově přístupu k modelování roštového spalování bude nutné učinit ještě celou řadu kroků a testování, vytvořený model je velmi dobrým základem pro navazující práce. Samotnou práci lze považovat za velmi osobité dílo diplomanta, takže i přes nedostatky, které má, ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations C
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Jiří Vondál, Ph.D.

Práce se zabývá počítačový modelováním roštového spalování. Jedná se o velmi komplexní problematiku zahrnující modelování proudění, turbulence, přestupu tepla, přestup hmoty a chemických reakcí. Kromě modelu turbulence se autor práce zmínil o každé z těchto dílčích problematik. Především musím ocenit šíři záběru autora práce, čemuž odpovídá i vytvořený kód použitý v UDF a naprogramovaný v jazyce C. Celkem se jedná o 19 souborů a cca 4000 řádků zdrojového kódu. Vytvořený kód může být cenným podkladem pro další navazující práci v dané problematice.

Šíře záběru je však také věcí, která celkovému vyznění práce dost ublížila. Autor se snaží věnovat každé části, ale dělá tak ledabyle a nahodile. Práce postrádá nějakou rozumnou strukturu. Vyskytují se také časté překlepy v textu a nepřesnosti a chyby v rovnicích (např. rovnice 2.14) a tabulkách (chybná hodnota výparného tepla vodní páry v tabulce 2.6). Seznam použitých zdrojů není vytvořen dle požadovaného stylu popsaného v ISO 690. V kapitole 3 jsou bez nějakého podrobnějšího vysvětlení ukázány dva CFD výpočty. Chybí k nim přehledné specifikování okrajových podmínek, nastavení řešiče a popis použitých modelů. I přes to, že v kódu bylo implementováno mnoho modelů, tak demonstrováno je pouze sušení. Práce působí dojmem, že se autor chtěl věnovat všemu zároveň, ale ničemu se nevěnoval opravdu do hloubky. Přitom kdyby bylo do konce dotaženo i jen 30 % načatých věcí a modelů, tak by se jednalo o velmi kvalitní práci. Můžeme jenom hádat, kolik práce dalo vytvořit takto rozsáhlý soubor UDF funkcí, ale nikde nejsou dokumentovány a kvalitně ověřeny.

Cíle diplomové práce byly naplněny, kromě bodu 5 týkajícího se demonstrace na úloze spalování. Jedná se však o velmi komplexní věc a ukázán byl částečný pokrok v cestě za vytyčeným cílem. Domnívám se, že cíl byl nastaven velmi ambiciózně vzhledem ke zvolenému postupu prostřednictvím takto rozsáhlé customizace.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations C

Grade proposed by reviewer: C