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Modeling of ignition and flame propagation in lean and rich hydrogen-air mixtures

Böttler, Hannes (2024)
Modeling of ignition and flame propagation in lean and rich hydrogen-air mixtures.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027271
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Green hydrogen holds significant promise as a sustainable alternative to traditional fossil fuels in mitigating global warming. Its direct thermal conversion via combustion is one of the most cost-efficient ways of power generation. To advance the development of technical combustion chambers for green hydrogen, detailed knowledge of its combustion dynamics, which differ significantly from that of conventional fuels, is required. Simulation-aided design processes that incorporate predictive and computationally efficient models have become indispensable in the development of combustion chambers. To enable simulation-aided design processes for hydrogen, established models must be adapted to the distinct characteristics of hydrogen flames. In particular, the high reactivity and diffusivity of hydrogen cause mixture inhomogeneities near the reaction zones due to an imbalance in the diffusive mass and heat fluxes, known as differential diffusion. This also leads to a strong sensitivity to flame front distortions known as flame stretch, which in turn can be classified into strain and curvature effects. In lean hydrogen-air flames, the interplay of differential diffusion and stretch effects leads to strongly corrugated flame fronts with cellular structures, as they are subject to thermo-diffusive instabilities. These instabilities change the flame dynamics and are not yet captured by the existing models.

In this thesis, various physical phenomena in premixed hydrogen-air flames are analyzed, focusing on differential diffusion, flame stretch, and thermo-diffusive instabilities. Flames with arbitrary combinations of strain and curvature are systematically investigated using a composition space model that reveals sensitive changes in global flame properties, flame structures and reaction pathways. Based on this analysis, a novel flamelet-based modeling approach is developed that incorporates a tabulated manifold, differential diffusion, and a coupling method through the transport of major species. Rigorous evaluations demonstrate the accuracy of the model in predicting ignition characteristics, flame propagation and flame structure in different hydrogen-air mixtures. The model shows significantly improved predictions for the flame structure observed in laminar and turbulent thermo-diffusively unstable hydrogen-air flames when extended by strain and curvature variations. In summary, this work introduces a novel model that showcases improved predictability of premixed hydrogen-air flames in different configurations and marks a substantial advancement toward the predictive simulation of technical hydrogen combustors.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Böttler, Hannes
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Modeling of ignition and flame propagation in lean and rich hydrogen-air mixtures
Sprache: Englisch
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Chen, Prof. Dr. Zheng
Publikationsjahr: 13 Mai 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 166 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 23 April 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027271
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27271
Kurzbeschreibung (Abstract):

Green hydrogen holds significant promise as a sustainable alternative to traditional fossil fuels in mitigating global warming. Its direct thermal conversion via combustion is one of the most cost-efficient ways of power generation. To advance the development of technical combustion chambers for green hydrogen, detailed knowledge of its combustion dynamics, which differ significantly from that of conventional fuels, is required. Simulation-aided design processes that incorporate predictive and computationally efficient models have become indispensable in the development of combustion chambers. To enable simulation-aided design processes for hydrogen, established models must be adapted to the distinct characteristics of hydrogen flames. In particular, the high reactivity and diffusivity of hydrogen cause mixture inhomogeneities near the reaction zones due to an imbalance in the diffusive mass and heat fluxes, known as differential diffusion. This also leads to a strong sensitivity to flame front distortions known as flame stretch, which in turn can be classified into strain and curvature effects. In lean hydrogen-air flames, the interplay of differential diffusion and stretch effects leads to strongly corrugated flame fronts with cellular structures, as they are subject to thermo-diffusive instabilities. These instabilities change the flame dynamics and are not yet captured by the existing models.

In this thesis, various physical phenomena in premixed hydrogen-air flames are analyzed, focusing on differential diffusion, flame stretch, and thermo-diffusive instabilities. Flames with arbitrary combinations of strain and curvature are systematically investigated using a composition space model that reveals sensitive changes in global flame properties, flame structures and reaction pathways. Based on this analysis, a novel flamelet-based modeling approach is developed that incorporates a tabulated manifold, differential diffusion, and a coupling method through the transport of major species. Rigorous evaluations demonstrate the accuracy of the model in predicting ignition characteristics, flame propagation and flame structure in different hydrogen-air mixtures. The model shows significantly improved predictions for the flame structure observed in laminar and turbulent thermo-diffusively unstable hydrogen-air flames when extended by strain and curvature variations. In summary, this work introduces a novel model that showcases improved predictability of premixed hydrogen-air flames in different configurations and marks a substantial advancement toward the predictive simulation of technical hydrogen combustors.

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Grüner Wasserstoff ist eine vielversprechende nachhaltige Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Eine der kosteneffizientesten Arten der Energieerzeugung basiert auf seiner direkten thermischen Umwandlung durch Verbrennung. Um die Entwicklung technischer Brennkammern für grünen Wasserstoff voranzutreiben, sind jedoch detaillierte Kenntnisse seiner Verbrennungsdynamik erforderlich, die sich deutlich von der konventioneller Brennstoffe unterscheidet. Dabei sind simulationsgestützte Entwurfsprozesse, die prädiktive und recheneffiziente Modelle einbeziehen, unverzichtbar geworden. Allerdings müssen etablierte Modelle kritisch überprüft und möglicherweise an die Eigenschaften von Wasserstoffflammen angepasst werden. Insbesondere die hohe Reaktivität und Diffusivität von Wasserstoff führen zu Mischungsinhomogenitäten in der Nähe der Reaktionszonen, die als differentielle Diffusion bekannt sind. Dies führt auch zu einer starken Sensitivität gegenüber Änderungen der Flammenoberfläche, die als Flammenstreckung bezeichnet werden und wiederum in Streckungs- und Krümmungseffekte unterteilt werden können. In mageren Wasserstoff-Luft Flamen führt das Zusammenspiel von differentieller Diffusion und Streckung zu stark gewellten Flammenfronten mit zellularen Strukturen, da sie thermo-diffusiven Instabilitäten unterliegen. Diese Instabilitäten verändern die Flammendynamik und werden von den bestehenden Modellen noch nicht erfasst.

In dieser Arbeit werden verschiedene physikalische Phänomene in vorgemischten Wasserstoff-Luft-Flammen analysiert, wobei der Schwerpunkt auf differentieller Diffusion, Flammenstreckung und thermo-diffusiven Instabilitäten liegt. Flammen mit beliebigen Kombinationen von Streckung und Krümmung werden systematisch unter Verwendung eines "Composition space"-Modells untersucht, das sensitive Änderungen in globalen Flammeneigenschaften, Flammenstrukturen und Reaktionswegen aufzeigt. Auf der Grundlage dieser Analyse wird ein neuartiger Flamelet-Modellierungsansatz entwickelt, der eine tabellierte Mannigfaltigkeit, differentielle Diffusion und eine Kopplungsmethode durch den Transport der wichtigsten Spezies umfasst. Rigorose Bewertungen zeigen die Genauigkeit des Modells bei der Vorhersage von Zündungscharakteristiken, Flammendynamik und Flammenstrukturen in verschiedenen Wasserstoff-Luft-Gemischen. Das Modell zeigt signifikant verbesserte Vorhersagen für die Flammenstruktur in laminaren und turbulenten thermo-diffusiv instabilen Wasserstoff-Luft Flammen, wenn es um Streckungs- und Krümmungsvariationen erweitert wird. Durch die Demonstration der Leistungsfähigkeit des neuartigen Modells in verschiedenen Flammenkonfigurationen stellt diese Arbeit einen wesentlichen Fortschritt in der prädiktiven Simulation von technischen Wasserstoffbrennern dar.

Deutsch
Freie Schlagworte: Combustion, flamelet manifolds, thermo-diffusive instabilities, differential diffusion, strain, curvature
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-272719
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: 13 Mai 2024 13:25
Letzte Änderung: 14 Mai 2024 07:50
PPN:
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Chen, Prof. Dr. Zheng
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 April 2024
Export:
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