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Modeling and simulation of near-wall combustion of renewable fuels

Luo, Yujuan (2023)
Modeling and simulation of near-wall combustion of renewable fuels.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023365
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The downsizing concepts in the design of modern combustion engines and gas turbines result in an increased surface-to-volume ratio in combustion chambers, which amplifies the influence of flame-wall interaction (FWI). Due to the low temperature in the near-wall region, the flame structure may be significantly altered and quenching is likely to occur, which leads to lower combustion efficiency and increased pollutant formation. Therefore, near-wall combustion is substantially different from unconfined combustion. Furthermore, the coexistence of heat loss and other phenomena such as differential diffusion effects, mixing-induced mixture fraction variation, and turbulence brings additional complexity.

In order to gain a deep understanding of the unique characteristics caused by FWI, combustion processes in a small vicinity of the wall need to be investigated in detail. Besides experimental measurements, numerical simulations have become an increasingly powerful tool for such purposes. Although fully resolved simulations with detailed kinetics provide the most accurate results and are useful for comprehensive analyses, they are usually adopted in simple configurations. For complicated industrial applications, manifold-based reduced kinetic models represent an ideal alternative that is able to reduce the computational cost significantly while maintaining high accuracy.

Based on the above background, this thesis mainly contributes to the development and application of manifold-based reduced kinetic models for near-wall combustion. Specifically, this thesis deals with (1) analyses of the fundamentals of the FWI processes, providing guidance for modeling, (2) the development of manifold-based reduced kinetic models with different levels of complexity, and (3) the application of various manifold-based reduced kinetic models.

Different scenarios where near-wall combustion plays a role are investigated numerically. Starting from the simplest canonical configuration for FWI, one-dimensional laminar premixed head-on quenching (HOQ) is simulated with detailed kinetics and transport. Unlike previous studies that focused only on unstrained conditions, the relevance of the underlying flow is taken into consideration in the present study. The focus is the analysis of the influence of the strain rate and finding suitable parameters that can characterize the strain rate both for propagating and quenching flamelet manifold. As for the two-dimensional laminar side-wall quenching (SWQ) setup, efforts are put on the development of reduced kinetics based on Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) generated and formulated within the framework of generalized coordinates. Compared to the manifold-based reduced kinetic models in thermokinetic coordinates that were adopted in all previous related studies, this kind of new model presents advantages in dealing with non-invariant manifolds. Different models are proposed for scenarios where strong heat losses exist without and with prominent differential diffusion effects, respectively. Model validation is carried out on configurations where experimental data is available. As an extension, an on the fly technique is further developed to reduce the dependence of the model accuracy on the a-priori identification of the system. While it was shown for laminar FWI that the choice of the manifold is crucial in the fully coupled simulations, this has not been investigated for turbulent FWI yet. To fill the gap, three different flamelet manifolds: Flame-Generated Manifold (FGM), the Quenching Flamelet-Generated Manifold (QFM), and the Quenching Flamelet-Generated Manifold with Exhaust Gas Recirculation (QFM-EGR), are coupled to the Large-Eddy Simulations (LES) of turbulent SWQ of a premixed CH4-air flame. The performance of the manifolds is assessed by comparison with the flame-resolved simulation, and the advantages and disadvantages of each model are identified and discussed.

Being a carbon-free energy carrier, hydrogen is a promising substitute for fossil fuels. To enable its application in combustion chambers, detailed investigations on the FWI of H2-enriched fuels are necessary. As a starting point, a new flamelet model extended from the FGM used in turbulent SWQ is proposed to simultaneously include multiple complex physics that may appear in realistic configurations, such as differential diffusion effects, heat loss, and mixing of different streams. The new model is validated for a CH4-H2-air Bunsen flame by comparing the results with those from the detailed kinetic simulation and experiments.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Luo, Yujuan
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Modeling and simulation of near-wall combustion of renewable fuels
Sprache: Englisch
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Maas, Prof. Dr. Ulrich
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiii, 142 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 25 Januar 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023365
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23365
Kurzbeschreibung (Abstract):

The downsizing concepts in the design of modern combustion engines and gas turbines result in an increased surface-to-volume ratio in combustion chambers, which amplifies the influence of flame-wall interaction (FWI). Due to the low temperature in the near-wall region, the flame structure may be significantly altered and quenching is likely to occur, which leads to lower combustion efficiency and increased pollutant formation. Therefore, near-wall combustion is substantially different from unconfined combustion. Furthermore, the coexistence of heat loss and other phenomena such as differential diffusion effects, mixing-induced mixture fraction variation, and turbulence brings additional complexity.

In order to gain a deep understanding of the unique characteristics caused by FWI, combustion processes in a small vicinity of the wall need to be investigated in detail. Besides experimental measurements, numerical simulations have become an increasingly powerful tool for such purposes. Although fully resolved simulations with detailed kinetics provide the most accurate results and are useful for comprehensive analyses, they are usually adopted in simple configurations. For complicated industrial applications, manifold-based reduced kinetic models represent an ideal alternative that is able to reduce the computational cost significantly while maintaining high accuracy.

Based on the above background, this thesis mainly contributes to the development and application of manifold-based reduced kinetic models for near-wall combustion. Specifically, this thesis deals with (1) analyses of the fundamentals of the FWI processes, providing guidance for modeling, (2) the development of manifold-based reduced kinetic models with different levels of complexity, and (3) the application of various manifold-based reduced kinetic models.

Different scenarios where near-wall combustion plays a role are investigated numerically. Starting from the simplest canonical configuration for FWI, one-dimensional laminar premixed head-on quenching (HOQ) is simulated with detailed kinetics and transport. Unlike previous studies that focused only on unstrained conditions, the relevance of the underlying flow is taken into consideration in the present study. The focus is the analysis of the influence of the strain rate and finding suitable parameters that can characterize the strain rate both for propagating and quenching flamelet manifold. As for the two-dimensional laminar side-wall quenching (SWQ) setup, efforts are put on the development of reduced kinetics based on Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) generated and formulated within the framework of generalized coordinates. Compared to the manifold-based reduced kinetic models in thermokinetic coordinates that were adopted in all previous related studies, this kind of new model presents advantages in dealing with non-invariant manifolds. Different models are proposed for scenarios where strong heat losses exist without and with prominent differential diffusion effects, respectively. Model validation is carried out on configurations where experimental data is available. As an extension, an on the fly technique is further developed to reduce the dependence of the model accuracy on the a-priori identification of the system. While it was shown for laminar FWI that the choice of the manifold is crucial in the fully coupled simulations, this has not been investigated for turbulent FWI yet. To fill the gap, three different flamelet manifolds: Flame-Generated Manifold (FGM), the Quenching Flamelet-Generated Manifold (QFM), and the Quenching Flamelet-Generated Manifold with Exhaust Gas Recirculation (QFM-EGR), are coupled to the Large-Eddy Simulations (LES) of turbulent SWQ of a premixed CH4-air flame. The performance of the manifolds is assessed by comparison with the flame-resolved simulation, and the advantages and disadvantages of each model are identified and discussed.

Being a carbon-free energy carrier, hydrogen is a promising substitute for fossil fuels. To enable its application in combustion chambers, detailed investigations on the FWI of H2-enriched fuels are necessary. As a starting point, a new flamelet model extended from the FGM used in turbulent SWQ is proposed to simultaneously include multiple complex physics that may appear in realistic configurations, such as differential diffusion effects, heat loss, and mixing of different streams. The new model is validated for a CH4-H2-air Bunsen flame by comparing the results with those from the detailed kinetic simulation and experiments.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die Downsizing-Konzepte bei der Konstruktion moderner Verbrennungsmotoren und Gasturbinen führen zu einem erhöhten Oberflächen-Volumen-Verhältnis in den Brennkammern, wodurch der Einfluss der Flamme-Wand-Wechselwirkung (FWI) verstärkt wird. Aufgrund der niedrigen Temperatur im wandnahen Bereich kann die Flammenstruktur erheblich verändert werden, und es ist wahrscheinlich, dass es zu Flammenverlöschung kommt. Das führt zu einer geringeren Verbrennungseffizienz und einer erhöhten Schadstoffbildung. Daher unterscheidet sich die wandnahe Verbrennung wesentlich von der Verbrennung ohne Wände. Zusätzlich erhöht die Koexistenz von Wärmeverlusten und anderen Phänomenen, wie differenzieller Diffusion, Schwankungen des Mischungsbruchs oder Turbulenz, zusätzlich die Komplexität.

Um ein tieferes Verständnis der besonderen Charakteristiken von FWI zu erlangen, müssen die Verbrennungsprozesse in unmittelbarer Nähe der Wand im Detail untersucht werden. Neben experimentellen Messungen haben sich numerische Simulationen zu einem zunehmend leistungsfähigen Werkzeug für solche Zwecke entwickelt. Obwohl vollständig aufgelöste Simulationen mit detaillierter Kinetik die genauesten Ergebnisse liefern und für umfassende Analysen nützlich sind, werden sie gewöhnlich für einfache Konfigurationen eingesetzt. Für komplizierte industrielle Anwendungen stellen mannigfaltigkeitsbasierte, reduzierte kinetische Modelle eine ideale Alternative dar, welche die Rechenkosten erheblich senken und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit beibehalten.

Vor diesem Hintergrund trägt diese Arbeit hauptsächlich zur Entwicklung und Anwendung mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle für die wandnahe Verbrennung bei. Konkret geht es in dieser Arbeit um (1) Analysen der grundlegenden Prozesse der FWI, die Erkenntnisse für die Modellentwicklung liefern, (2) die Entwicklung mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden und (3) die Anwendung verschiedener mannigfaltigkeitsbasierter reduzierter kinetischer Modelle.

Verschiedene Szenarien, bei denen die wandnahe Verbrennung eine Rolle spielt, werden numerisch untersucht. Das eindimensionale laminare vorgemischte Head-On Quenching (HOQ), die einfachste kanonische Konfiguration für FWI, wird mit detaillierter Kinetik und Transport simuliert. Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich nur auf ungesteckte Flammen konzentrierten, wird in der vorliegenden Arbeit die Relevanz der zugrunde liegenden Strömung berücksichtigt. Der Schwerpunkt ist die Analyse des Einflusses der Streckungsrate und der Suche nach geeigneten Parametern, um die Streckungsrate in Flamelet-Mannigfaltigkeiten sowohl für frei propagierende, als auch verlöschende Flammen charakterisieren zu können. Für das zweidi-mensionale laminare senkrechte Flammenverlöschen (SWQ) wird ein reduziertes Modell auf der Basis von Reaktions-Diffusions-Mannigfaltigkeiten (REDIM) in generalisierten Koordinaten entwickelt. Im Gegensatz zu den auf physikalischen Koordinaten basierenden Mannigfaltigkeiten, die in allen früheren Studien verwendet wurden, bietet diese Art von Modell Vorteile im Umgang mit nicht-invarianten Mannigfaltigkeiten. Es werden verschiedene Modelle für Szenarien vorgeschlagen, in denen starke Wärmeverluste ohne und mit ausgeprägter differentieller Diffusion auftreten. Die Validierung des Modells erfolgt anhand von Konfigurationen, für die experimentelle Daten verfügbar sind. Weiterhin wird eine on-the-fly Technik entwickelt, um die Abhängigkeit von der Modellgenauigkeit von der a-priori Identifikation des Systems zu redizueren. Während für die laminare FWI gezeigt wurde, dass die Wahl der Mannigfaltigkeit für die vollständig gekoppelten Simulationen entscheidend ist, wurde dies für die turbulente FWI noch nicht untersucht. Um diese Lücke zu schließen, werden drei verschiedene Flamelet-Mannigfaltigkeiten: Flame Generated Manifold (FGM), Quenching Flamelet-Generated Manifold (QFM), und Quenching Flamelet-Generated Manifold with Exhaust Gas Recirculation (QFM-EGR) in einer gekoppelten Large-Eddy-Simulationen (LES) einer vorgemischten CH4-Luft-Flamme untersucht, die senkrecht an den Wänden verlischt. Die Vorhersagegüte wird durch den Vergleich mit einer flammenaufgelösten Simulation bewertet, und die Vor- und Nachteile jedes Modells ermittelt und diskutiert.

Als kohlenstofffreier Energieträger ist Wasserstoff ein vielversprechender Ersatz für fossile Brennstoffe. Um seine Anwendung in Brennkammern zu ermöglichen, sind detaillierte Untersuchungen zur FWI von H2-angereicherten Brennstoffen nötig. Als Ausgangspunkt wird ein neues Flamelet-Modell, basierend auf dem FGM, der auch in der turbulenten SWQ Konfiguration verwendet wurde, vorgeschlagen, um gleichzeitig mehrere komplexe physikalische Faktoren zu berücksichtigen, die in realistischen Konfigurationen auftreten können, wie z. B. Diffusionseffekte, Wärmeverluste und die Vermischung verschiedener Ströme. Das neue Modell wird für eine CH4-H2-Luft-Bunsenflamme validiert, indem die Ergebnisse mit denen einer detaillierten kinetischen Simulation und Experimenten verglichen werden.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233655
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme (STFS)
Hinterlegungsdatum: 15 Mär 2023 13:03
Letzte Änderung: 16 Mär 2023 06:02
PPN:
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Maas, Prof. Dr. Ulrich
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 Januar 2023
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