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Sub-grid models for Large Eddy Simulation of non-conventional combustion regimes

Li, Zhiyi (2019):
Sub-grid models for Large Eddy Simulation of non-conventional combustion regimes.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Sub-grid models for Large Eddy Simulation of non-conventional combustion regimes
Language: English
Abstract:

Novel combustion technologies ensuring low emissions, high efficiency and fuel flexibility are essential to meet the future challenges associated to air pollution, climate change and energy source shortage, as well as to cope with the increasingly stricter environmental regulation. Among them, Moderate or Intense Low oxygen Dilution (MILD) combustion has recently drawn increasing attention. MILD combustion is achieved through the recirculation of flue gases within the reaction region, with the effect of diluting the reactant streams. As a result, the reactivity of the system is reduced, a more uniform reaction zone is obtained, thus leading to decreased NO x and soot emissions. As a consequence of the dilution and enhanced mixing, the ratio between the mixing and chemical time scale is strongly reduced in MILD combustion, indicating the existence of very strong interactions between chemistry and fluid dynamics. In such a context, the use of combustion models that can accurately account for turbulent mixing and detailed chemical kinetics becomes mandatory.

Combustion models for conventional flames usually rely on the assumption of time-scale separation (i.e., flamelets and related models), which constrain the thermochemical space accessible in the numerical simulation. Whilst the use of transported PDF methods appears still computationally prohibitive, especially for practical combustion systems, there are a number of closures showing promise for the inclusion of detailed kinetic mechanisms with affordable computational cost. They include the Partially Stirred Reactor (PaSR) approach and the Eddy Dissipation Concept (EDC) model.

In order to assess these models under non-conventional MILD combustion conditions, several prototype burners were selected. They include the Adelaide and Delft jet-in-hot-coflow (JHC) burners, and the Cabra lifted flames in vitiated coflow. Both Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) were carried out on these burners under various operating conditions and with different fuels. The results indicate the need to explicitly account for both the mixing and chemical time scales in the combustion model formulation. The generalised models developed currently show excellent predictive capabilities when compared with the available, high-fidelity experimental data, especially in their LES formulations. The advanced approaches for the evaluation of the mixing and chemical time scale were compared to several conventional estimation methods, showing their superior performances and wider range of applications. Moreover, the PaSR approach was compared with the steady Flamelet Progress Variable (FPV) model on predicting the lifted Cabra flame, proving that the unsteady behaviours associated to flame extinction and re-ignition should be appropriately considered for such kind of flame.

Because of the distributed reaction area, the reacting structures in MILD combustion can be potentially resolved on a Large Eddy Simulation (LES) grid. To investigate that, a comparative study benchmarking the LES predictions for the JHC burner obtained with the PaSR closure and two implicit combustion models was carried out, with the implicit models having filtered source terms coming directly from the Arrhenius expression. The results showed that the implicit models are very similar with the conventional PaSR model on predicting the flame properties, for what concerns the mean and root-mean-square of the temperature and species mass fraction fields.

To alleviate the cost associated to the use of large kinetic mechanisms, chemistry reduction and tabulation methods to dynamically reduce their size were tested and benchmarked, allowing to allocate the computational resources only where needed. Finally, advanced post-processing tools based on the theory of Computational Singular Perturbation (CSP) were employed to improve the current understanding of flame-turbulence interactions under MILD conditions, confirming the important role of both autoignition and self propagation in these flames.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Neuartige Verbrennungstechnologien, die niedrige Emissionen, hohe Effizienz und Kraftstoffflexibilität gewährleisten, sind unerlässlich, um den zukünftigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Luftverschmutzung, Klimawandel und Energieträgermangel sowie den immer strengeren Umweltschutzauflagen gerecht zu werden. Unter ihnen hat die „Moderate or Intense Low oxygen Dilution“ (MILD)-Verbrennung in letzter Zeit zunehmend Aufmerksamkeit bekommen. Die MILD-Verbrennung wird durch die Abgasrezirkulation innerhalb des Reaktionsbereichs erreicht, mit dem Effekt der Verdünnung der Reaktantenströme. Hierdurch wird die Reaktivität des Systems reduziert und die Reaktionszone wird homogenisiert, was schlussendlich zu einer Verringerung der NOx- und Rußemissionen führt. Als Folge der Verdünnung und der verbesserten Mischung wird das Verhältnis zwischen der Zeitskalen von Mischung und Chemie bei der MILD-Verbrennung signifikant reduziert, was auf die Existenz sehr starker Wechselwirkungen zwischen der Chemie und Strömungsdynamik hinweist. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Verbrennungsmodellen, die sowohl turbulente Mischung als auch detaillierte chemische Kinetiken genau berücksichtigen können, zwingend erforderlich. Verbrennungsmodelle für konventionelle Flammen basieren in der Regel auf der Annahme einer zeitlichen Skalenseparation (z.B. Flamelets und verwandte Modelle), die den in der numerischen Simulation zugänglichen thermochemischen Zustand einschränken. Als eine Option werden häufig PDF-Methoden genannt, die nicht diesen Einchränkungen unterliegen. Jedoch ist deren Einsatz für praktische Verbrennungssysteme noch immer nur in seltenen Fällen sinnvoll aufgrund der extrem hohen Rechenzeitanforderungen. Dem gegenüber gibt es eine Reihe von Schließungsansätzen, die die Verwendung detaillierter kinetischer Mechanismen bei akzeptablen Rechenressourcen versprechen. Dazu gehört der Partially Stirred Reactor (PaSR) und das Eddy Dissipation Concept (EDC)-Modell. Um diese Modelle unter unkonventionellen MILD-Verbrennungsbedingungen zu bewerten, wurden mehrere Prototypenbrenner ausgewählt. Dazu gehören die Adelaide und Delft Jet-in-Hotcoflow (JHC)-Brenner sowie die Cabra-abgehobenen Flammen im vitiated Coflow. Sowohl Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) als auch Large Eddy Simulationen (LES) wurden für diese Brenner unter verschiedenen Betriebsbedingungen und mit unterschiedlichen Brennstoffen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Mischung als auch die chemische Zeitskalen in der Formulierung des Verbrennungsmodells explizit berücksichtigt werden müssen. Die verallgemeinerten Modelle, die derzeit entwickelt werden, zeigen im Vergleich zu den verfügbaren, hochpräzisen experimentellen Daten, insbesondere in ihren LES-Formulierungen, sehr gute Prädiktivität. Die fortgeschrittenen Ansätze für die Bewertung der Mischung und der chemischen Zeitskala wurden mit mehreren konventionellen Ansätzen verglichen und zeigten sowohl sehr gute Ergebnisse für ein breites Anwendungsspektrum. Darüber hinaus wurde der PaSR-Ansatz mit dem stationären Flamelet Progress Variable (FPV)-Modell zur Vorhersage der angehobenen Cabra-Flamme verglichen. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass das instationäre Verhalten bei Verlöschung und Wiederzündung für die betrachteten Flammen angemessen berücksichtigt werden sollte. Aufgrund der verteilten Reaktionsfläche können die Reaktionsstrukturen bei der MILD-Verbrennung potenziell auf einem Large Eddy Simulation (LES)-Gitter gelöst werden. Um dies detailliert zu untersuchen wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt, die die LES-Vorhersagen für den JHC-Brenner mit dem PaSR- Schließungsansatz und zwei impliziten Verbrennungsmodellen vergleicht, wobei die impliziten Modelle gefilterte Arrhenius-Ausdrücke verwenden. Die Ergebnisse zeigen, dass die impliziten Modelle sehr ähnlich mit dem konventionellen PaSR-Modell sind bzgl. der Vorhersage der Flammeneigenschaften. Um die mit der Verwendung großer kinetischer Mechanismen verbundenen Rechenaufwand zu senken, wurden Methoden der chemischen Reduktion und Tabellierung zur dynamischen Reduzierung ihrer Größe getestet und verglichen, so dass eine bedarfsgerechte Zuweisung von Ressourcen erreicht wurde. Schließlich wurden weiterführende Auswertungen basierend auf Computational Singular Perturbation (CSP), eingesetzt, um das aktuelle Verständnis von Flamm-Turbulenz- Wechselwirkungen unter MILD-Bedingungen zu verbessern. Die Ergebnisse bestätigen ebenfalls die wichtige Rolle der Selbstzündung und Selbstausbreitung bei diesen Flammen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 05 Nov 2019 15:44
Last Modified: 05 Nov 2019 15:44
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90086
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Parente, Prof. Dr. Alessandro and Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Refereed: 8 August 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9008
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