Sensitivity analysis was performed on a soot model using a partially stirred reactor (PaSR) in order to determine the effects of mixing model parameters on soot scalar values. The sensitivities of the mixture fraction zeta and progress variable C to the mixing model constant C_phi were calculated; these values were used to compute the sensitivity of water mass fraction Y_H2O to C_phi and several soot quantities to soot moments. Results were validated by evaluating the mean mixture fraction sensitivity and a long simulation time case. From the baseline case, it was noted that soot moment sensitivities tended to peak on the rich side of the stoichiometric mixture fraction zeta_st. Timestep, number of notional particles, mixing timescale tau_mix, and residence time tau_res were varied independently. Choices for timestep and notional particle count were shown to be sufficient to capture relevant scalar profiles, and did not greatly affect sensitivity calculations. Altering tau_mix or tau_res was shown to affect sensitivity to mixing, and it was concluded that the soot model is more heavily influenced by the chemistry than mixing. / text

Soot in coal combustion simulations is often ignored due to its computational complexity, despite significant effects on flame temperature and radiation. In this research, a 40 kW oxy-coal combustion system is modeled using Large Eddy Simulations (LES) and a semi-empirical monodisperse coal soot model. Simulation results are compared to experimental measurements of temperature, species concentrations, and soot concentration. Cases where soot is modeled are compared with cases where soot is neglected to determine the accuracy benefits of modeling soot. The simulations were able to replicate experimental results within an acceptable level of error. Including soot in the simulations did not consistently increase accuracy for the simulation setup and modeling assumptions used in this research.

[ES] En los últimos años, las emisiones de hollín provenientes de los motores de combustión interna han recibido más atención debido al impacto negativo que éstas tienen no solo en el ambiente, sino también en la salud del ser humano. Como respuesta, leyes cada vez más estrictas han sido aplicadas impulsando así a la comunidad científica al desarrollo de motores más eficientes en el uso del combustible y por supuesto más limpios en términos de emisiones contaminantes. En este contexto, el modelado computacional ha sido la herramienta utilizada en numerosos esfuerzos que buscan contribuir a mejorar el entendimiento que se tiene sobre los altamente complejos fenómenos que componen el proceso de producción de hollín. El principal objetivo de esta tesis es simular la producción de hollín en chorros Diesel en condiciones de operación típicas de un motor de combustión interna utilizando CFD. La consecución del objetivo de la tesis comprende una evaluación preliminar de la configuración de los distintos modelos para el caso de chorros inertes. En segundo lugar, el estudio detallado de la hipótesis utilizada para caracterizar la estructura de la llama a nivel sub-grid (tomando como base los conceptos well-mixed o flamelet) y del enfoque para tener en cuenta la interacción entre turbulencia y química. Por último, se presentan resultados del modelado de la combustión y producción de hollín para diferentes condiciones de contorno de reactividad y mezcla del chorro utilizando un modelo de hollín de dos ecuaciones. En resumen, el lector encontrará a lo largo de este documento un estudio exhaustivo sobre la combustión y producción de hollín en chorros inyectados con toberas mono-orificio en ambientes quiescentes. De este tipo de chorros, el Spray A y Spray D de la Engine Combustion Network son utilizados como casos de referencia. / [CA] En els últims anys, les emissions de sutge provinents dels motors de combustió interna han rebut més atenció a causa de l'impacte negatiu que aquestes tenen no sols en l'ambient, sinó també en la salut de l'ésser humà. Com a resposta, lleis cada vegada més estrictes han sigut aplicades impulsant així a la comunitat científica al desenvolupament de motors més eficients en l'ús del combustible i per descomptat més nets en termes d'emissions contaminants. En aquest context, el modelatge computacional ha sigut l'eina utilitzada en nombrosos esforços que busquen contribuir a millorar l'enteniment que es té sobre els altament complexos fenòmens que componen el procés de producció de sutge. El principal objectiu d'aquesta tesi és simular la producció de sutge en rolls dièsel en condicions d'operació típiques d'un motor de combustió interna utilitzant CFD. La consecució de l'objectiu de la tesi comprèn una avaluació preliminar de la configuració dels diferents models per al cas de rolls inerts. En segon lloc, l'estudi detallat de la hipòtesi utilitzada per a caracteritzar l'estructura de la flama a nivell sub-grid (prenent com a base els conceptes well-mixed o flamelet) i de l'enfocament per a tindre en compte la interacció entre turbulència i química. Finalment, es presenten resultats del modelatge de la combustió i producció de sutge per a diferents condicions de contorn de reactivitat i mescla del doll utilitzant un model de sutge de dues equacions. En resum, el lector trobarà al llarg d'aquest document un estudi exhaustiu sobre la combustió i producció de sutge en dolls injectats amb toveres mono-orifici en ambients immòbils. D'aquesta mena de dolls, l'Spray A i Spray D de la Engine Combustion Network són utilitzats com a casos de referència. / [EN] Over the past few years, soot emissions from internal combustion engines have gained attention due to its impact on the environment and human health. In response, ever-stricter legislation has been enforced driving the research community toward more fuel-efficient and cleaner engines. Within this context, soot modeling has been the subject of many efforts seeking to contribute to the understanding of the highly complex phenomena that composes the soot production process. This thesis main objective aims at simulating soot production in Diesel sprays under engine-like conditions using computational fluid dynamics (CFD). The fulfillment of the thesis main objective entails a preliminary assessment of the inert spray computational setup for validation purposes. Then, a detailed study on the sub-grid flame structure and handling of turbulence-chemistry interaction is reported focusing on well-mixed and flamelet assumptions. Lastly, the study of reactivity and mixing boundary condition variations on combustion and soot production are assessed with a two-equation soot model. In summary, throughout this document the reader will find a comprehensive study of combustion and soot modeling in single-hole nozzle sprays in quiescent environments from which the Spray A and Spray D target conditions from the Engine Combustion Network are the main reference cases. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-16) and Ayudas para movilidad dentro del Programa para la Formación de Personal investigador 2017 of Universitat Politècnica de València and the Government of Spain through the CHEST Project (TRA2017-89139-C2-1-R). The respondent also wants to express his gratitude to Convergent Science for their kind support in the use of CONVERGE software for performing the CFD simulations. Parts of the work presented in this thesis have been supported in a collaborative framework with research partners at Argonne National Laboratory and their support is greatly acknowledged. / Pachano Prieto, LM. (2020). CFD modeling of combustion and soot production in Diesel sprays [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/142189 / TESIS

O objetivo desta tese é o estudo de formação de fuligem em chamas laminares de difusão. Para o modelo de formação de fuligem é escolhido um modelo semi-empírico de duas equações para prever a fração mássica de fuligem e o número de partículas de fuligem. O modelo descreve os processos de nucleação, de crescimento superficial e de oxidação das partículas. Para o modelo de radiação, a perda de calor por radiação térmica (gás e fuligem) é modelada considerando o modelo de gás cinza no limite de chama opticamente fina (OTA - Optically Thin Approximation). São avaliados diferentes modelos de cálculo das propriedades de transporte (detalhado e simplificado). Em relação à cinética química, tanto modelos detalhados quanto reduzidos são utilizados. No presente estudo, é explorada a técnica automática de redução conhecida como Flamelet Generated Manifold (FGM), sendo que esta técnica é capaz de resolver cinética química detalhada com tempos computacionais reduzidos. Para verificar o modelo de formação de fuligem foram realizados uma variedade de experimentos numéricos, desde chamas laminares unidimensionais adiabáticas de etileno em configuração tipo jatos opostos (counterflow) até chamas laminares bidimensionais com perda de calor de etileno em configuração tipo jato (coflow). Para testar a limitação do modelo os acoplamentos de massa e energia entre a fase sólida e a fase gasosa são investigados e quantificados para as chamas contra-corrente Os resultados mostraram que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importancia para as chamas estudas. Os termos de acoplamento adicionais (massa e propriedade termodinâmicas) são geralmente termos de efeitos de segunda ordem, mas a importância destes termos aumenta conforme a quantidade de fuligem aumenta. Como uma recomendação geral o acoplamento com todos os termos deve ser levado em conta somente quando a fração mássica de fuligem, YS, for igual ou superior a 0.008. Na sequência a formação de fuligem foi estudada em chamas bi-dimensionais de etileno em configuração jato laminar usando cinética química detalhada e explorando os efeitos de diferentes modelos de cálculo de propriedades de transporte. Foi encontrado novamente que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importância e uma primeira aproximação para resolver a chama bidimensional de jato laminar de etileno pode ser feita usando o modelo de transporte simplificado. Finalmente, o modelo de fuligem é implementado com a técnica de redução FGM e diferentes formas de armazenar as informações sobre o modelo de fuligem nas tabelas termoquímicas (manifold) são testadas A melhor opção testada neste trabalho é a de resolver todos os flamelets com as fases sólida e gasosa acopladas e armazenar as taxas de reação da fuligem por área de partícula no manifold. Nas simulações bidimensionais estas taxas são então recuperadas para resolver as equações adicionais de formação de fuligem. Os resultados mostraram uma boa concordância qualitativa entre as predições do FGM e da solução detalhada, mas a grande quantidade de fuligem no sistema ainda introduz alguns desafios para a obtenção de bons resultados quantitativos. Entretanto, este trabalho demonstrou o grande potencial do método FGM em predizer a formação de fuligem em chamas multidimensionais de difusão de etileno em tempos computacionais reduzidos. / The objective of this thesis is to study soot formation in laminar diffusion flames. For soot modeling, a semi-empirical two equation model is chosen for predicting soot mass fraction and number density. The model describes particle nucleation, surface growth and oxidation. For flame radiation, the radiant heat losses (gas and soot) is modelled by using the grey-gas approximation with Optically Thin Approximation (OTA). Different transport models (detailed or simplified) are evaluated. For the chemical kinetics, detailed and reduced approaches are employed. In the present work, the automatic reduction technique known as Flamelet Generated Manifold (FGM) is being explored. This reduction technique is able to deal with detailed kinetic mechanisms with reduced computational times. To assess the soot formation a variety of numerical experiments were done, from one-dimensional ethylene counterflow adiabatic flames to two-dimensional coflow ethylene flames with heat loss. In order to assess modeling limitations the mass and energy coupling between soot solid particles and gas-phase species are investigated and quantified for counterflow flames. It is found that the gas and soot radiation terms are of primary importance for flame simulations. The additional coupling terms (mass and thermodynamic properties) are generally a second order effect, but their importance increase as the soot amount increases As a general recommendation the full coupling should be taken into account only when the soot mass fraction, YS, is equal to or larger than 0.008. Then the simulation of soot is applied to two-dimensional ethylene co-flow flames with detailed chemical kinetics and explores the effect of different transport models on soot predictions. It is found that the gas and soot radiation terms are also of primary importance for flame simulations and that a first attempt to solve the two-dimensional ethylene co-flow flame can be done using a simplified transport model. Finally an implementation of the soot model with the FGM reduction technique is done and different forms for storing soot information in the manifold is explored. The best option tested in this work is to solve all flamelets with soot and gas-phase species in a coupled manner, and to store the soot rates in terms of specific surface area in the manifold. In the two-dimensional simulations, these soot rates are then retrieved to solve the additional equations for soot modeling. The results showed a good qualitative agreement between FGM solution and the detailed solution, but the high amount of soot in the system still imposes some challenges to obtain good quantitative results. Nevertheless, it was demonstrated the great potential of the method for predicting soot formation in multidimensional ethylene diffusion flames with reduced computational time.

O objetivo desta tese é o estudo de formação de fuligem em chamas laminares de difusão. Para o modelo de formação de fuligem é escolhido um modelo semi-empírico de duas equações para prever a fração mássica de fuligem e o número de partículas de fuligem. O modelo descreve os processos de nucleação, de crescimento superficial e de oxidação das partículas. Para o modelo de radiação, a perda de calor por radiação térmica (gás e fuligem) é modelada considerando o modelo de gás cinza no limite de chama opticamente fina (OTA - Optically Thin Approximation). São avaliados diferentes modelos de cálculo das propriedades de transporte (detalhado e simplificado). Em relação à cinética química, tanto modelos detalhados quanto reduzidos são utilizados. No presente estudo, é explorada a técnica automática de redução conhecida como Flamelet Generated Manifold (FGM), sendo que esta técnica é capaz de resolver cinética química detalhada com tempos computacionais reduzidos. Para verificar o modelo de formação de fuligem foram realizados uma variedade de experimentos numéricos, desde chamas laminares unidimensionais adiabáticas de etileno em configuração tipo jatos opostos (counterflow) até chamas laminares bidimensionais com perda de calor de etileno em configuração tipo jato (coflow). Para testar a limitação do modelo os acoplamentos de massa e energia entre a fase sólida e a fase gasosa são investigados e quantificados para as chamas contra-corrente Os resultados mostraram que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importancia para as chamas estudas. Os termos de acoplamento adicionais (massa e propriedade termodinâmicas) são geralmente termos de efeitos de segunda ordem, mas a importância destes termos aumenta conforme a quantidade de fuligem aumenta. Como uma recomendação geral o acoplamento com todos os termos deve ser levado em conta somente quando a fração mássica de fuligem, YS, for igual ou superior a 0.008. Na sequência a formação de fuligem foi estudada em chamas bi-dimensionais de etileno em configuração jato laminar usando cinética química detalhada e explorando os efeitos de diferentes modelos de cálculo de propriedades de transporte. Foi encontrado novamente que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importância e uma primeira aproximação para resolver a chama bidimensional de jato laminar de etileno pode ser feita usando o modelo de transporte simplificado. Finalmente, o modelo de fuligem é implementado com a técnica de redução FGM e diferentes formas de armazenar as informações sobre o modelo de fuligem nas tabelas termoquímicas (manifold) são testadas A melhor opção testada neste trabalho é a de resolver todos os flamelets com as fases sólida e gasosa acopladas e armazenar as taxas de reação da fuligem por área de partícula no manifold. Nas simulações bidimensionais estas taxas são então recuperadas para resolver as equações adicionais de formação de fuligem. Os resultados mostraram uma boa concordância qualitativa entre as predições do FGM e da solução detalhada, mas a grande quantidade de fuligem no sistema ainda introduz alguns desafios para a obtenção de bons resultados quantitativos. Entretanto, este trabalho demonstrou o grande potencial do método FGM em predizer a formação de fuligem em chamas multidimensionais de difusão de etileno em tempos computacionais reduzidos. / The objective of this thesis is to study soot formation in laminar diffusion flames. For soot modeling, a semi-empirical two equation model is chosen for predicting soot mass fraction and number density. The model describes particle nucleation, surface growth and oxidation. For flame radiation, the radiant heat losses (gas and soot) is modelled by using the grey-gas approximation with Optically Thin Approximation (OTA). Different transport models (detailed or simplified) are evaluated. For the chemical kinetics, detailed and reduced approaches are employed. In the present work, the automatic reduction technique known as Flamelet Generated Manifold (FGM) is being explored. This reduction technique is able to deal with detailed kinetic mechanisms with reduced computational times. To assess the soot formation a variety of numerical experiments were done, from one-dimensional ethylene counterflow adiabatic flames to two-dimensional coflow ethylene flames with heat loss. In order to assess modeling limitations the mass and energy coupling between soot solid particles and gas-phase species are investigated and quantified for counterflow flames. It is found that the gas and soot radiation terms are of primary importance for flame simulations. The additional coupling terms (mass and thermodynamic properties) are generally a second order effect, but their importance increase as the soot amount increases As a general recommendation the full coupling should be taken into account only when the soot mass fraction, YS, is equal to or larger than 0.008. Then the simulation of soot is applied to two-dimensional ethylene co-flow flames with detailed chemical kinetics and explores the effect of different transport models on soot predictions. It is found that the gas and soot radiation terms are also of primary importance for flame simulations and that a first attempt to solve the two-dimensional ethylene co-flow flame can be done using a simplified transport model. Finally an implementation of the soot model with the FGM reduction technique is done and different forms for storing soot information in the manifold is explored. The best option tested in this work is to solve all flamelets with soot and gas-phase species in a coupled manner, and to store the soot rates in terms of specific surface area in the manifold. In the two-dimensional simulations, these soot rates are then retrieved to solve the additional equations for soot modeling. The results showed a good qualitative agreement between FGM solution and the detailed solution, but the high amount of soot in the system still imposes some challenges to obtain good quantitative results. Nevertheless, it was demonstrated the great potential of the method for predicting soot formation in multidimensional ethylene diffusion flames with reduced computational time.

O objetivo desta tese é o estudo de formação de fuligem em chamas laminares de difusão. Para o modelo de formação de fuligem é escolhido um modelo semi-empírico de duas equações para prever a fração mássica de fuligem e o número de partículas de fuligem. O modelo descreve os processos de nucleação, de crescimento superficial e de oxidação das partículas. Para o modelo de radiação, a perda de calor por radiação térmica (gás e fuligem) é modelada considerando o modelo de gás cinza no limite de chama opticamente fina (OTA - Optically Thin Approximation). São avaliados diferentes modelos de cálculo das propriedades de transporte (detalhado e simplificado). Em relação à cinética química, tanto modelos detalhados quanto reduzidos são utilizados. No presente estudo, é explorada a técnica automática de redução conhecida como Flamelet Generated Manifold (FGM), sendo que esta técnica é capaz de resolver cinética química detalhada com tempos computacionais reduzidos. Para verificar o modelo de formação de fuligem foram realizados uma variedade de experimentos numéricos, desde chamas laminares unidimensionais adiabáticas de etileno em configuração tipo jatos opostos (counterflow) até chamas laminares bidimensionais com perda de calor de etileno em configuração tipo jato (coflow). Para testar a limitação do modelo os acoplamentos de massa e energia entre a fase sólida e a fase gasosa são investigados e quantificados para as chamas contra-corrente Os resultados mostraram que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importancia para as chamas estudas. Os termos de acoplamento adicionais (massa e propriedade termodinâmicas) são geralmente termos de efeitos de segunda ordem, mas a importância destes termos aumenta conforme a quantidade de fuligem aumenta. Como uma recomendação geral o acoplamento com todos os termos deve ser levado em conta somente quando a fração mássica de fuligem, YS, for igual ou superior a 0.008. Na sequência a formação de fuligem foi estudada em chamas bi-dimensionais de etileno em configuração jato laminar usando cinética química detalhada e explorando os efeitos de diferentes modelos de cálculo de propriedades de transporte. Foi encontrado novamente que os termos de radiação da fase gasosa e sólida são os termos de maior importância e uma primeira aproximação para resolver a chama bidimensional de jato laminar de etileno pode ser feita usando o modelo de transporte simplificado. Finalmente, o modelo de fuligem é implementado com a técnica de redução FGM e diferentes formas de armazenar as informações sobre o modelo de fuligem nas tabelas termoquímicas (manifold) são testadas A melhor opção testada neste trabalho é a de resolver todos os flamelets com as fases sólida e gasosa acopladas e armazenar as taxas de reação da fuligem por área de partícula no manifold. Nas simulações bidimensionais estas taxas são então recuperadas para resolver as equações adicionais de formação de fuligem. Os resultados mostraram uma boa concordância qualitativa entre as predições do FGM e da solução detalhada, mas a grande quantidade de fuligem no sistema ainda introduz alguns desafios para a obtenção de bons resultados quantitativos. Entretanto, este trabalho demonstrou o grande potencial do método FGM em predizer a formação de fuligem em chamas multidimensionais de difusão de etileno em tempos computacionais reduzidos. / The objective of this thesis is to study soot formation in laminar diffusion flames. For soot modeling, a semi-empirical two equation model is chosen for predicting soot mass fraction and number density. The model describes particle nucleation, surface growth and oxidation. For flame radiation, the radiant heat losses (gas and soot) is modelled by using the grey-gas approximation with Optically Thin Approximation (OTA). Different transport models (detailed or simplified) are evaluated. For the chemical kinetics, detailed and reduced approaches are employed. In the present work, the automatic reduction technique known as Flamelet Generated Manifold (FGM) is being explored. This reduction technique is able to deal with detailed kinetic mechanisms with reduced computational times. To assess the soot formation a variety of numerical experiments were done, from one-dimensional ethylene counterflow adiabatic flames to two-dimensional coflow ethylene flames with heat loss. In order to assess modeling limitations the mass and energy coupling between soot solid particles and gas-phase species are investigated and quantified for counterflow flames. It is found that the gas and soot radiation terms are of primary importance for flame simulations. The additional coupling terms (mass and thermodynamic properties) are generally a second order effect, but their importance increase as the soot amount increases As a general recommendation the full coupling should be taken into account only when the soot mass fraction, YS, is equal to or larger than 0.008. Then the simulation of soot is applied to two-dimensional ethylene co-flow flames with detailed chemical kinetics and explores the effect of different transport models on soot predictions. It is found that the gas and soot radiation terms are also of primary importance for flame simulations and that a first attempt to solve the two-dimensional ethylene co-flow flame can be done using a simplified transport model. Finally an implementation of the soot model with the FGM reduction technique is done and different forms for storing soot information in the manifold is explored. The best option tested in this work is to solve all flamelets with soot and gas-phase species in a coupled manner, and to store the soot rates in terms of specific surface area in the manifold. In the two-dimensional simulations, these soot rates are then retrieved to solve the additional equations for soot modeling. The results showed a good qualitative agreement between FGM solution and the detailed solution, but the high amount of soot in the system still imposes some challenges to obtain good quantitative results. Nevertheless, it was demonstrated the great potential of the method for predicting soot formation in multidimensional ethylene diffusion flames with reduced computational time.

The probability density function (PDF) approach is a powerful technique for large eddy simulation (LES) based modeling of turbulent reacting flows. In this approach, the joint-PDF of all reacting scalars is estimated by solving a PDF transport equation, thus providing detailed information about small-scale correlations between these quantities. The objective of this work is to further develop the LES/PDF approach for studying flame stabilization in supersonic combustors, and for soot modeling in turbulent flames. Supersonic combustors are characterized by strong shock-turbulence interactions which preclude the application of conventional Lagrangian stochastic methods for solving the PDF transport equation. A viable alternative is provided by quadrature based methods which are deterministic and Eulerian. In this work, it is first demonstrated that the numerical errors associated with LES require special care in the development of PDF solution algorithms. The direct quadrature method of moments (DQMOM) is one quadrature-based approach developed for supersonic combustion modeling. This approach is shown to generate inconsistent evolution of the scalar moments. Further, gradient-based source terms that appear in the DQMOM transport equations are severely underpredicted in LES leading to artificial mixing of fuel and oxidizer. To overcome these numerical issues, a new approach called semi-discrete quadrature method of moments (SeQMOM) is formulated. The performance of the new technique is compared with the DQMOM approach in canonical flow configurations as well as a three-dimensional supersonic cavity stabilized flame configuration. The SeQMOM approach is shown to predict subfilter statistics accurately compared to the DQMOM approach. For soot modeling in turbulent flows, an LES/PDF approach is integrated with detailed models for soot formation and growth. The PDF approach directly evolves the joint statistics of the gas-phase scalars and a set of moments of the soot number density function. This LES/PDF approach is then used to simulate a turbulent natural gas flame. A Lagrangian method formulated in cylindrical coordinates solves the high dimensional PDF transport equation and is coupled to an Eulerian LES solver. The LES/PDF simulations show that soot formation is highly intermittent and is always restricted to the fuel-rich region of the flow. The PDF of soot moments has a wide spread leading to a large subfilter variance. Further, the conditional statistics of soot moments conditioned on mixture fraction and reaction progress variable show strong correlation between the gas phase composition and soot moments. / text