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Comparison of turbulent reactive spray characteristics of different renewable fuels using Large Eddy Simulation

Haspel, Philip Michael (2023)
Comparison of turbulent reactive spray characteristics of different renewable fuels using Large Eddy Simulation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024726
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Comparison of turbulent reactive spray characteristics of different renewable fuels using Large Eddy Simulation
Language: English
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Günthner, Prof. Dr. Michael
Date: 14 November 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 120, xxxix Seiten
Date of oral examination: 17 October 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024726

The human-caused climate change imposes many challenges for future generations. It is commonly agreed to stop the global warming process, and new technologies have to be found to reduce the footprint of greenhouse gases. A high share of greenhouse gas emissions comes from the transport sector. In particular, carbon dioxide CO2 from the combustion of fossil fuels in engines contributes significantly to global warming. The reduction of emissions in the transport sector can either be achieved by decarbonization, eliminating energy carriers containing carbon, or defossilation, including combustion of carbon-neutral fuels. The defossilation pathway is currently favored, and many fuels from renewable sources are in the focus of research. Two very promising carbon-neutral Diesel fuels are 1-Octanol, which is produced from biogenic feedstock, and the group of Polyoxymethylene ethers (OME) that are synthesized from green hydrogen and ambient carbon dioxide. Both fuels are considered backstop technologies, which makes them very interesting in sustainable energy production. Both fuels exhibit changed thermophysical and chemical kinetic properties compared to conventional fossil fuels. The latent heat of evaporation of 1-Octanol is significantly increased compared to Diesel. Also, OME shows higher latent heat of evaporation and a significantly increased vapor pressure. The reactivity of 1-Octanol is reduced, while OME is considered a high-reactive fuel due to its high level of oxygenation. Both fuels show no soot formation and can be utilized in blends with regular fuels to meet new emission regulations. Furthermore, emissions of CO, CO2, NOx and soot can be significantly reduced with 1-Octanol and OME. In the present thesis, the spray flame ignition is examined for the renewable fuels 1-Octanol and OME and compared with the Diesel surrogate n-Dodecane. The investigation utilizes a high-fidelity Large Eddy Simulation framework coupled with a tabulated flamelet-generated manifold combustion model. In particular, the influence of the changed thermophysical properties on mixture formation is elucidated. Further, the effect of the changed thermophysical properties on ignition is investigated. Also, the influence of the changed chemical kinetic properties on ignition is examined. The impact of the latent heat of evaporation on ignition will be elucidated. The flame structures of 1-Octanol and OMEmix are compared to the Diesel reference fuel n-Dodecane. The analysis is performed in an automotive, heavy-duty and marine injector with increasing nozzle sizes, and the influence of the nozzle size on ignition is discussed. Excellent agreement of the Large Eddy Simulations under inert conditions with experimental data regarding liquid penetration and vapor penetration length is achieved. The mixture formation analysis of the automotive Engine Combustion Network (ECN) Spray A3 injector shows that 1-Octanol and n-Dodecane exhibit a similar mixture formation process, while OMEmix shows higher values of the scalar dissipation rate and a narrower spray shape. The mixture formation process in the heavy-duty ECN Spray D and marine injector from Woodward L'Orange show delayed mixture formation. The large particle diameter leads to reduced drag and consecutive less momentum exchange and heat transfer to the liquid phase. The temperature distribution of the gas phase clearly shows that the heat loss due to evaporation of 1-Octanol is pronounced. The comparison of the adiabatic mixing line assumed in the combustion model and the temperature distribution in the spray revealed that the higher heat capacity of n-Dodecane inherently leads to a more concave shape of the adiabatic mixing line. This fuel property makes n-Dodecane less sensitive to spray cooling effects on ignition. The flame structure is first investigated utilizing laminar non-premixed 1D flamelet simulations. OMEmix shows the highest reactivity and the lowest ignition delay times for different scalar dissipation rates at stoichiometry. Furthermore, the highest ignition limit is observed for OMEmix. Compared to OMEmix, the ignition delay time of n-Dodecane is increased, and its ignition limit is significantly lower. 1-Octanol shows the highest ignition delay times at lower scalar dissipation rates at stoichiometry. In the proximity of the ignition limit of n-Dodecane, the ignition delay time of 1-Octanol is shorter, which is explained by an increased reactivity of 1-Octanol during the high-temperature ignition. A novel flamelet model is derived that incorporates the heat losses due to evaporation based on the results from the analysis of the gas temperature distribution of the spray. In contrast to methods from the literature, the presented model is physically consistent and does not change the spray flame structure. The novel flamelet model is utilized in the reactive spray simulations for all fuels and injectors investigated. The typical onset of ignition over the spray head in ECN Spray A3 has been confirmed for all fuels. In contrast, the start of ignition at the spray flanks has been observed in the ECN Spray D and the marine injector from Woodward L'Orange. In this thesis, a cause-effect mechanism has been identified that explains the different ignition locations. The onset of ignition in mixture fraction space is similar for each fuel in all injectors. This finding suggests that the mixture formation process dominates the ignition location. The comparison of different-sized nozzles shows that the lowest ignition delay time is found for Spray A3, and the ignition delay time of the larger nozzles is increased. The trend from the flamelet simulation of the lowest ignition delay time for OMEmix is also observed in the spray flame. OMEmix exhibits a significantly different mixture formation and ignition behavior than 1-Octanol and n-Dodecane, due to its high stoichiometric mixture fraction. The mixture formation process of n-Dodecane and 1-Octanol is similar, while the ignition delay time of n-Dodecane is shorter than that of 1-Octanol. The influence of heat loss due to evaporation is very prominent for 1-Octanol. The flamelet model without the heat-loss correction underestimates the ignition delay time by 25%. The heat-loss corrected model perfectly aligns with the experimental ignition delay time. Overall, this thesis contributes to the understanding of the ignition of spray flames with renewable Diesel fuels. Significant differences in the mixture formation process have been identified and explained with the changed thermophysical properties. A novel flamelet model incorporating heat loss due to latent heat of evaporation is developed and successfully utilized in the simulation of reactive sprays in LES. Perfect agreement by means of ignition delay time and flame structure has been achieved. This thesis significantly contributes to a deeper understanding of renewable fuels in the context of defossilation. The results of this thesis can be utilized to develop new technologies that reduce greenhouse gases in the transport sector and slow down global warming.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der vom Menschen verursachte Klimawandel stellt künftige Generationen vor zahlreiche Herausforderungen. Die Allgemeinheit ist sich einig, dass die globale Erwärmung gestoppt werden muss und neue Technologien entwickelt werden müssen die den Ausstoß von Treibhausgasen verringern. Ein großer Teil der Treibhausgasemissionen stammt aus dem Verkehrssektor. Vor allem Kohlendioxid CO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffträger trägt erheblich zur globalen Erwärmung bei. Die Verringerung der Emissionen im Verkehrssektor kann entweder durch Dekarbonisierung, d.h. die Beseitigung kohlenstoffhaltiger Energieträger oder durch Defossilierung, d.h. die Verbrennung Kohlenstoffdioxid neutraler Kraftstoffe, erreicht werden. Der Pfad der Defossilierung wird derzeit bevorzugt und viele Kraftstoffe aus erneuerbaren Quellen stehen im Mittelpunkt der Forschung. Zwei sehr vielversprechende klimaneutrale Kraftstoffe sind 1- Octanol, das aus biogenen Rohstoffen hergestellt wird und die Gruppe der Polyoxymethylenether (OME), die aus grünem Wasserstoff und Kohlendioxid aus der Umgebung synthetisiert werden. Beide Kraftstoffe gelten als „Backstop“-Technologien, was sie für die nachhaltige Energieerzeugung sehr interessant macht. Beide Brennstoffe weisen veränderte thermophysikalische und chemische Eigenschaften auf. Die Verdampfungsenthalpie von 1-Octanol ist deutlich höher als die von herkömmlichem Diesel. Auch OME zeigt eine höhere Verdampfungsenthalpie und einen deutlich erhöhten Dampfdruck. Die Reaktivität von 1-Octanol ist geringer, während OME aufgrund seines hohen Sauerstoffgehalts als reaktiver Kraftstoff gilt. Beide Kraftstoffe zeigen keine Rußbildung und können in Mischungen mit herkömmlichen Kraftstoffen verwendet werden, um z.B. neue Abgasnormen zu erfüllen. Darüber hinaus können die CO-, CO2-, NOx- und Rußemissionen mit 1-Octanol und OME deutlich reduziert werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Selbstzündung von Sprayflammen für die erneuerbaren Kraftstoffe 1-Octanol und OME untersucht und mit dem Diesel-Surrogat n-Dodekan verglichen. Für die Untersuchung wird ein detaillierter Grobstruktursimulationsansatz verwendet, der mit einem tabellierte Chemie Ansatz gekoppelt ist. Insbesondere wird der Einfluss der veränderten thermophysikalischen Eigenschaften auf die Gemischbildung beurteilt. Ferner wird die Auswirkung der veränderten thermophysikalischen Eigenschaften auf die Zündung untersucht. Auch der Einfluss der veränderten chemischen Eigenschaften auf die Zündung wird analysiert. Hierzu werden die Flammenstruktur von 1-Octanol und OMEmix mit dem Diesel- Referenzkraftstoff n-Dodekan verglichen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Verdampfungsenthalpie auf die Zündung diskutiert. Die Analyse wird in einem Automobil-, Schwerlast- und Marine-Injektor durchgeführt, um den Einfluss der Düsengröße auf die Zündung zu untersuchen. Die Grobstruktursimulationen unter inerten Bedingungen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bezüglich der Flüssig- und Dampfeindringtiefe. Die Analyse der Gemischbildung im Engine Combustion Network (ECN) Spray A3 Injektor (repräsentativ für Kraftfahrzeuge) zeigt, dass 1-Octanol und n-Dodekan einen ähnlichen Gemischbildungsprozess aufweisen, während OMEmix höhere Werte der skalare Dissipationsrate und eine schmalere Spraymorphologie aufweist. Der Gemischbildungsprozess im Nutzfahrzeug ECN Spray D- und im Marine-Injektor von Woodward L'Orange zeigt eine verzögerte Gemischbildung. Der größere Partikeldurchmesser führt zu einem geringeren Luftwiderstand und in der Folge zu einem geringeren Impulsaustausch und Wärmeübergang an die Flüssigphase, die Verdunstung wird verzögert. Die Temperaturverteilung der Gasphase zeigt deutlich, dass der Wärmeverlust durch die Verdampfung von 1-Octanol ausgeprägt ist. Der Vergleich der im Verbrennungsmodell angenommenen adiabatischen Mischungslinie mit der Temperaturverteilung im Spray ergab, dass die höhere Wärmekapazität von n- Dodekan inhärent zu einer konkaveren Form der adiabatischen Mischungslinie führt. Diese Brennstoffeigenschaft macht n-Dodekan weniger empfindlich gegenüber den Auswirkungen der Spraykühlung auf die Zündung der Sprayflamme. Die Flammenstruktur wird zunächst mit Hilfe laminarer, nicht vorgemischter 1D-Flamelet-Simulationen untersucht. Dabei zeigt OMEmix die höchste Reaktivität und die niedrigsten Zündverzugszeiten für unterschiedlichen skalaren Dissipationsraten. Für OMEmix wird auch die höchste skalare Dissipationsrate bei der noch Zündung auftritt beobachtet. Die Zündverzugszeit von n-Dodekan ist im Vergleich zu OMEmix höher und die Zündgrenze ist deutlich niedriger. 1-Octanol zeigt die höchsten Zündverzugszeiten bei niedrigeren skalaren Dissipationsraten. In der Nähe der Zündgrenze von n-Dodekan ist die Zündverzugszeit von 1-Octanol wiederum kürzer, was durch eine erhöhte Reaktivität von 1-Octanol bei der Hochtemperaturzündung erklärt wird. Es wird ein neuartiges Flamelet-Modell abgeleitet, das die Wärmeverluste durch Verdampfung auf der Grundlage der Ergebnisse aus der Analyse der Temperaturverteilung einbezieht. Im Gegensatz zu anderen Methoden in der Literatur ist das vorgestellte Modell physikalisch konsistent und verändert die Struktur der Sprayflamme nicht. Das neuartige Flamelet-Modell wird in der reaktiven Grobstruktur Spraysimulation für alle Kraftstoffe und Injektoren Kombinationen verwendet. Die typische Zündung über den Spraykopf im ECN Spray A3 Injektor wurde für alle untersuchten Brennstoffe bestätigt, während die Zündung des ECN Spray D und dem Marine-Injektor von Woodward L'Orange über die Sprayflanken beobachtet wurde. In dieser Arbeit wurde ein Wirkmechanismus identifiziert, der den unterschiedlichen Zündort für verschiedene Düsendurchmesser erklärt. Der Zündort im Mischungsbruchraum ist für jeden Kraftstoff in allen Injektoren ähnlich. Diese Beobachtung legt nahe, dass der Gemischbildungsprozess den Zündort vorgibt. Der Vergleich von Düsen unterschiedlicher Größe zeigt, dass die niedrigste Zündverzugszeit für den Spray A3 beobachtet wird und für größere Düsen zunimmt. Der Trend der niedrigsten Zündverzugszeit für OMEmix aus der Flamelet-Simulation wird auch in der Sprayflamme beobachtet. OMEmix weist aufgrund seines hohen stöchiometrischen Mischungsbruch ein deutlich anderes Gemischbildungs- und Zündverhalten auf als 1-Octanol und n-Dodekan. Der Gemischbildungsprozess von n-Dodekan und 1-Octanol ist ähnlich, während die Zündverzugszeit von n-Dodekan deutlich kürzer ist als die von 1-Octanol. Der Einfluss des Wärmeverlustes durch Verdampfung ist bei 1-Octanol sehr ausgeprägt. Das Flamelet-Modell ohne die Wärmeverlustkorrektur unterschätzt die Zündverzugszeit um 25%. Das in dieser Arbeit entwickelte wärmeverlustkorrigierte Modell stimmt für alle Kraftstoffe und Injektor Paarungen perfekt mit den experimentellen Zündverzugszeiten überein. Insgesamt trägt diese Arbeit zum Verständnis der Zündung von Sprayflammen mit erneuerbaren Dieselkraftstoffen bei. Signifikante Unterschiede in der Gemischbildung aufgrund veränderter thermophysikalischer Eigenschaften wurden identifiziert und erklärt. Ein neuartiges Modell, das den Wärmeverlust durch die Verdampfungsenthalpie berücksichtigt, wurde entwickelt und erfolgreich bei der Grobstruktursimulation von reaktiven Sprays eingesetzt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung in Bezug auf die Zündverzugszeit und die Flammenstruktur erzielt. Diese Dissertation trägt zu einem tieferen Verständnis erneuerbarer Dieselkraftstoffe im Kontext der Defossilierung bei. Die Ergebnisse dieser Arbeit können zur Entwicklung neuer Technologien genutzt werden, um die Treibhausgasemissionen im Transportsektor zu senken und die Erderwärmung zu verlangsamen.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-247260
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)
Date Deposited: 14 Nov 2023 13:09
Last Modified: 16 Nov 2023 06:48
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24726
PPN: 51321268X
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