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Towards understanding multicomponent chemistry interaction using direct numerical simulation

Haghighi, Roozbeh :
Towards understanding multicomponent chemistry interaction using direct numerical simulation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Towards understanding multicomponent chemistry interaction using direct numerical simulation
Language: English
Abstract:

In recent years the automobile and aviation industries, as well as other energy intensive branches, have moved towards downsizing as a new trend. Downsizing essentially means to reduce the dimensions of the device while power and efficiency is kept at least the same. The immediate consequence of downsizing for combustion devices is a higher area-to-volume ratio in which case the near-wall combustion attains greater influence on the overall behavior of the device. Although flame and wall do not interact everywhere in the combustor, their interaction has always significant influence on the combustion process especially in terms of unwanted byproducts such as unburnt hydrocarbons and NOx. On these accounts, the near-wall combustion and the flame-wall interaction becomes an increasingly attractive area of scientific investigation. There is especial interest in quenching the flame at the wall in researching flame-wall interaction(FWI). Based on orientation of the flame relative to the wall, one can think of two types of configurations for flame-wall interaction in laminar or turbulent flows, namely

- the flame front being parallel to the wall, that is also the flame propagating normal to the wall, which is called head-on quenching, and

- the flame front being normal to the wall, i.e. the flow runs parallel to the wall, which is called side-wall quenching.

Numerous experimental studies have been conducted in this area, but they have serious limitations. Flame-wall interaction has very short time scales and small characteristic lengths which require high precision measurements, overly sophisticated setups, and costly material. And yet the results are not up to par, because of technical limitations at this time. The flame quenching distance at atmospheric pressure is of the order of < 100 micrometer. There are not many reliable methods to capture flame-wall interaction at such small scales. This leaves CFD as the only feasible option which has only become possible by the arrival of the recent computing technologies. Although there is vast theoretical, experimental, and numerical body of research on the head-on configuration of the flame-wall interaction, there are few works concerning the side-wall configuration, either in laminar or in turbulent flame regimes. The main reason for that is the cost of computation. While the HOQ simulations can be performed using one-dimensional finite difference code, the side-wall quenching has to be simulated using two-dimensional domain, for the laminar combustion regime and three-dimensional domain, for turbulent flame-wall interactions. Improved computation capacity of research centers has made it possible to delve into this topic and better understanding the SWQ configuration. Gruber et al. have recently performed a three-dimensional direct numerical simulation to investigate the interaction between the wall and a turbulent hydrogen-air flame using multi-component reaction mechanism. Prior to his work there have been experimental and theoretical studies mostly, and numerically simulations were performed based on simple chemistry only. Lack of sufficient theoretical and numerical works in this area makes it more difficult to acquire enough information to characterize the flame-wall interaction in side-wall quenching. The aforementioned points are enough motivating to perform the sophisticated direct numerical simulations of combustion in the near-wall region using detailed chemistry. The goal of this work is first to investigate the flame-wall interaction in the head-on quenching configuration concerning different phases of simulation where the flame behaves differently from the transient phase exactly after simulation until after quenching. Secondly, the amount of produced carbon monoxide in different distances from the wall will be examined and compared to experiments. The last step is to gain better insight into the side-wall quenching of stoichiometric methane-air mixtures in configurations where the wall is parallel to the flow. The near wall combustion or the so called flame-wall interaction will be explored using two completely different possible quenching configurations and next, their similarity and differences will be studied. In order to make this possible, two quasi three-dimensional simulations for Side-Wall quenching were performed. To realize this, the readily available code (FASTEST-3D) was modified to calculate the mixture averaged flow properties of a gas mixture. The code was then extended to include mass fraction and energy transport equations for a multi-component gas mixture. In the simulations for both SWQ- and HOQ-configurations, the Smooke multi-component mechanism and the mix averaged transport coefficients calculation recommended by Hirschfelder are used.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren zeigt sich in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie in anderen energieintensiven Branchen, in den der Energieumsatz mittels der Verbrennung chemisch gebundener Energie stattfindet, der Trend zum Downsizing. Downsizing bedeutet im Wesentlichen, die Abmessungen einer Verbrennungsvorrichtung zu verringern, während ihre Leistung und ihr Wirkungsgrad unverändert bleiben. Die unmittelbare Folge dieser Verkleinerung ist ein höheres Fläche-Volumen-Verhältnis. Dadurch erreicht die wandnahe Verbrennung einen größeren Einfluss auf das Gesamtverhalten der Vorrichtung. Obwohl Flamme und Wandung nicht überall in der Verbrennungsvorrichtung interagieren, wird der Verbrennungsprozess durch ihre Wechselwirkung stets signifikant beeinflusst. Insbesondere ist ihr Einfluss auf das Vorhandensein der unerwünschten Nebenprodukte, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Stickstoffoxide, hervorzuheben. Aus diesem Grund haben sich die wandnahe Verbrennung und die Flammen-Wand-Interaktionen zu einem zunehmend attraktiven Forschungsgebiet entwickelt. In der Forschung der Flammen-Wand-Wechselwirkung ist dem Flammen-Quenching an der Wand besondere Bedeutung beizumessen. In einer laminaren oder turbulenten reaktiven Strömung ist auf Basis der Orientierung der Flammenfront gegenüber der Wand zwischen zwei Konfigurationen der Flammen-Wand-Interaktion zu unterscheiden • Die Flammenfront ist parallel zur Wand. Das heißt, dass die Flamme sich senkrecht zu der Wand ausbreitet. In diesem Fall heißt die Konfiguration Head-On Quenching. • Die Flammenfront ist normal zur Wand. Hierbei wird die Konfiguration als Side-Wall Quenching bezeichnet. Zahlreiche experimentelle Arbeiten wurden in diesem Bereich durchgeführt. Diese sind jedoch bedeutsamen Einschränkungen unterworfen. Denn die Flamme-Wand-Wechselwirkung zeichnet sich durch sehr kurze Zeitskalen und kleine charakteristische Längen aus, die sehr präzise Messungen, übermäßig hohen Aufwand und kostspielige Materialien erfordern. Aus diesen Gründen können die aus den Experimenten erzielten Ergebnisse zu diesem Thema noch nicht die erwartete Genauigkeit erfüllen. Die Flammenlöschdistanz bei Atmosphärendruck ist in der Größenordnung von 100 Mikrometer. Es gibt nicht viele zuverlässige Methoden, um Flammen- Wand-Interaktionen in solchen kleinen Skalen zu erfassen. Dies führt dazu, dass numerische Untersuchungen (CFD) zu diesem Thema an Bedeutung gewinnen. Bezüglich des Head-on Quenchings (HOQ) sind zahlreiche numerische sowie experimentelle Untersuchungen durchgeführt worden, die dieses Thema in unterschiedlichen Hinsichten analysieren. Das Side-Wall Quenching (SWQ) ist dem gegenüber weniger untersucht. Insbesondere liegen zu dem Letztgenannten kaum numerische Untersuchungen vor. Der Hauptgrund hierfür sind die Berechnungskosten. Während die HOQ-Simulationen unter Verwendung eindimensionaler finiter Differenzcodes ausgeführt werden, werden die SWQ-Simulationen mittels zweidimensionaler Domains für die laminare Verbrennungsregelung und dreidimensionaler Domains für turbulente Fälle durchgeführt. Die verbesserten Rechenkapazitäten der Forschungszentren ermöglichen mittlerweile auch, sich mit diesem Thema numerisch zu befassen und ein besseres Verständnis der SWQ-Konfiguration zu erlangen. Gruber et al. (2014) haben vor kurzem eine dreidimensionale direkte numerische Simulation durchgeführt, um die Interaktion zwischen der Wand und einer turbulenten Wasserstoff-Luft-Flamme mit Mehrkomponenten-Reaktionsmechanismus zu untersuchen. Vor dieser Arbeit sind meistens experimentelle und theoretische Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt worden. Bei den numerischen Untersuchungen sind die Simulationen jedoch in vereinfachter Form auf Grundlage der einfachen Chemie durchgeführt. Der Mangel an ausreichend theoretischen und numerischen Arbeiten in diesem Bereich macht es schwieriger, genügend Informationen zu erhalten, um die Flammen-Wand-Wechselwirkung in der SWQ-Konfiguration zu charakterisieren, sodass die Durchführung anspruchsvoller direkter numerischer Simulationen der Verbrennung mit detaillierter Chemie im wandnahen Bereich begründet und gerechtfertigt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es zunächst die Flammen-Wand-Wechselwirkung in der HOQ-Konfiguration über verschiedene Phasen der Simulation zu untersuchen. Zudem wird die Menge an erzeugtem Kohlenmonoxid in verschiedenen Abständen von der Wand untersucht und mit Experimenten verglichen. Der letzte Schritt befasst sich mit dem Verständnis und der Charakterisierung von Side-Wall-Quenching. Um das zu ermöglichen, wurden zwei quasi drei- dimensionale Simulationen für Side-Wall-Quenching durchgeführt. Die resultierenden Ergebnisse werden mit denen von Head-On- Quenching normiert, um sie miteinander vergleichen und letztendlich charakterisieren zu können. Um dies zu realisieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit die notwendigen Änderungen für numerische Berechnung der reagierenden Gasmischungen mit detaillierter Chemie in den Navier-Stokes-In-Haus-Solver FASTEST-3D implementiert. In den Simulationen für die beiden SWQ-Konfigurationen sowie HOQ-Konfiguration wurden Smooke Multi-Komponente-Mechanismus und die von Hirschfelder empfohlenen, mischungsgemittelten Transportkoeffizienten eingesetzt.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Multicomponent Chemistry, DNS, Numerical
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Mehrkomponent Chemie, DNS, NumerischGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 27 Nov 2015 08:35
Last Modified: 27 Nov 2015 08:35
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51370
Referees: Janinicka, Prof. Johannes and Stephan, Prof. Peter
Refereed: 6 May 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5137
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