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Development and Application of an Eulerian Density Function Methodology coupled to Flamelet Progress Variable Approach for the Simulation of Oxyfuel Combustion

Mahmoud, Rihab (2021):
Development and Application of an Eulerian Density Function Methodology coupled to Flamelet Progress Variable Approach for the Simulation of Oxyfuel Combustion. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017635,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Development and Application of an Eulerian Density Function Methodology coupled to Flamelet Progress Variable Approach for the Simulation of Oxyfuel Combustion
Language: English
Abstract:

In the prevailing situation of unsustainable fossil fuel resources and the elevated levels of air pollutant emissions, the state-of-the-art of combustion investigations confronts primarily two challenges. These are, on the one hand, the optimization of the fossil fuel combustion efficiency and, on the other hand, the development and the application of robust strategies to reduce the amount of the released pollutant gases with respect to the new emission standards in accordance with the global energy policies. Within this context, the carbon dioxide capture and storage (CCS) technologies play an important role as an accepted strategy towards the mitigation of CO2 emissions. One of the important aspects of the CCS techniques is the oxidation of natural gas under oxy-fuel combustion conditions. However, very few scientific contributions have been devoted to the research of these systems, so that there is a lack of understanding of the oxy-combustion processes. The present work aims at the development and the application of an advanced numerical approach for the simulation of oxy-fuel combustion in which the TCI is adequately accounted for within non-premixed combustion regimes using the OpenFOAM platform. The suggested model, which is designed for both RANS and LES applications, consists of a combination of a transported probability density function approach following the Eulerian Stochastic field methodology and the flamelet progress variable (FPV) chemistry reduction mechanism. In the LES framework, the proposed method accurately represents the effect of the sub-grid fluctuations on the flame structure and on combustion characteristics, along with the interaction between turbulence and chemistry. The implemented developed combustion model is first verified, and then validated and applied to different turbulent non-premixed combustion configurations featuring an in- creasing order of complexity. In particular, Sandia flame D, which consists of a turbulent piloted methane-air jet flame, is first employed for model validation in both RANS and LES contexts. The next flames are more challenging cases, namely the non-premixed Sandia oxy-flame series (A & B), which are operated under different Re numbers and characterized by various CO2 and H2 enrichments in the oxidizer and fuel streams, respectively. All investigated cases are well documented with available experimental measurements. The comparison of the obtained results with experimental data in terms of temperature, scalar distributions, PDFs, and scatter plots agree satisfactorily, essentially in the LES context. This work finally reveals that the hybrid ESF/FPV approach removes the weaknesses of the presumed probability density function-based FPV modeling (β-PDF).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aufgrund schwindender Ressourcen an fossilen Brennstoffen und strengen Abgasnormen stehen neue Verbrennungstechnologien heutzutage vor zwei groβen Herausforderungen. Diese sind angesichts verschärfter Emissionsvorschriften und gemäβ globaler energiepolitischer Maβnahmen zum einen die Steigerung des Verbrennungswirkungsgrades und zum anderen die Entwicklung und Anwendung von brauchbaren Strategien zur Reduzierung von Schadgasen. In diesem Zusammenhang spielen Kohlenstoffabscheidungs und -speicherungs Technologien (CCS, engl. carbon dioxide capture and storage) eine entscheidende Rolle zur Verringerung des Ausstoβes von CO2 . Ein wichtiger Aspekt der CCS-Technik ist hierbei die Oxidation von Erdgas unter Oxyfuel-Verbrennungsbedingungen. Trotz deren Relevanz gibt es derzeit jedoch nur sehr wenige wissenschaftliche Beiträge zu dieser Technologie, weshalb Verbrennungsprozesse unter Oxyfuel-Bedingungen noch weitgehend unverstanden sind. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Entwicklung und Anwendung eines fortschrittlichen numerischen Verfahrens zur Simulation von Verbrennungsprozessen unter Oxyfuel-Bedingungen. Dieses wurde in die OpenFOAM-Umgebung integriert und ist in der Lage die Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Verbrennung für nicht vorgemischte Verbrennungsregime korrekt wiederzugeben. Das vorgeschlagene Verfahren ist geeignet für numerische Strömungssimulation welche auf der Lösung der Reynolds-Gleichungen (RANS) oder auf Grobstrukturansätzen (LES) basieren. Es besteht aus einer transportieren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) im Kontext der Eulerschen stochastischen Felder Methode (ESF) kombiniert mit einem Chemiereduktionsmechanismus welcher auf einer Flamelet-Fortschrittsvariabel (FPV) basiert. Im Zusammenhang mit LES, ermöglicht die vorgeschlagene Methode eine präzise Beschreibung des Einflusses von Feinstrukturfluktuationen auf die Flammenstruktur sowie auf Verbrennungscharakteristika mitsamt der einhergehenden Turbulenz-Chemie-Interaktion. Das entwickelte Verbrennungsmodell wird zunächst verifiziert, dann validiert und angewendet auf verschiedene turbulente nicht vorgemischte Verbrennungskonfigurationen, welche eine zunehmende Komplexität aufweisen. Der erste Testfall zur Validierung der Methode im Kontext von RANS und LES ist die sogenannte Sandia flame D, welche aus einer turbulenten, pilotierten Methan-Luft Jet-Flamme besteht. Die darauf folgenden Testflammen sind die sogenannten nicht vorgemischte Sandia oxy-flame series A & B, welche bei unterschiedlichen Reynolds-Zahlen betrieben werden und charakterisiert sind durch eine CO2 - und H2 -Anreicherungen im Oxidatorstrom bzw. im Brennstoffstrom. Alle untersuchten Validierungsfälle sind hierbei gut dokumentiert, wobei experimentelle Messdaten zur Verfügung stehen. Ein Vergleich zwischen den erhaltenen Simulationsergebnissen und den experimentellen Daten bezüglich Temperatur, skalaren Verteilungen, PDFs und Streudiagrammen zeigt eine gute Übereinstimmung, insbesondere im Kontext von LES. Die vorliegende Arbeit legt letztendlich dar dass der hybride ESF/FPV-Ansatz potentielle Schwachstellen eines FPV basierten Modellierungsansatzes mit vorausgesetzter PDF (β-PDF) beheben kann.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxiii, 147 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 29 Mar 2021 14:37
Last Modified: 29 Mar 2021 14:37
DOI: 10.26083/tuprints-00017635
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176350
Referees: Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Fiorinat, Prof. Dr. Benoît and Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter and Parente, Prof. Dr. Alessandro and Cuoci, Prof. Dr. Alberto and Ronan, Prof. Dr. Vicquelin and Blaeser, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 1 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17635
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