El modelado CFD se ha convertido en una herramienta aceptada y ampliamente utilizada en el ámbito del diseño de motores de combustión interna alternativos. Los modelos de combustión avanzados ayudan a comprender los fenómenos complejos químicos y físicos del proceso de combustión y aportan información detallada que no se puede obtener con experimentos. Indudablemente, el modelado del proceso de combustión turbulenta parcialmente premezclada característico de los chorros Diesel es particularmente difícil y por lo tanto es un tema de gran interés para la comunidad científica. Los retos más importantes del modelado de este tipo de llamas son la predicción del proceso del auto-encendido, caracterizado por el tiempo de retraso, y la estructura de la llama cuasi-estacionaria con su característica longitud de lift-off. Estos dos parámetros globales de los chorros Diesel son importantes por varios aspectos. Primero, es relativamente sencillo medir estos dos parámetros y por lo tanto utilizarlos para la validación de modelos y segundo, son factores determinantes en el proceso de la combustión en un motor. El auto-encendido marca el inicio de la tasa de liberación de calor y la longitud de lift-off desempeña un papel fundamental en la formación de hollín. El mecanismo de estabilización de la llama en la zona del lift-off todavía no es bien conocido aunque existen diferentes teorías en la literatura, por lo que su modelado es en la actualidad un reto no resuelto. De acuerdo con el contexto descrito previamente, en este trabajo se pretende implementar un modelo de combustión integrado en un solver RANS utilizando la plataforma CFD OpenFOAM de código abierto. El modelo propuesto está basado en el concepto de flamelets usando una química detallada combinado con funciones de probabilidad determinadas a priori (presumed-PDF) para considerar el efecto de interacción entre la química y las características del flujo turbulento, que implica hipótesis importantes. En primer lugar, con el concepto flamelet se asume que una llama Diesel turbulenta quema localmente como un conjunto de llamas laminares de difusión de flujos opuestos. En segundo lugar se asume que las fluctuaciones de las propiedades introducidas por el flujo turbulento, que son las responsables de los fenómenos de interacción entre la química y la turbulencia durante la combustión, siguen un comportamiento estadístico en el tiempo de acuerdo a una distribución de probabilidad conocida a priori. Los fenómenos complejos del auto-encendido de hidrocarburos exigen el uso de mecanismo químicos detallados para recuperar satisfactoriamente los tiempos de retraso del auto-encendido en un rango amplio de condiciones termoquímicas. Una estrategia de interés para mantener los costes computacionales dentro de límites aceptables consiste en pre-tabular los resultados del cálculo de la química en tablas. Los parámetros independientes de estas tablas son la fracción de mezcla, la variable de progreso y la tasa de disipación escalar. Además, la hipótesis de que la distribuciones de probabilidad de las fluctuaciones generadas por la turbulencia sobre las propiedades del flujo son conocidas permite generar una tabla con la información química del problema apta para su aplicación en cálculo CFD en un entorno RANS. Esta aproximación basada en la pre-tabulación de los resultados químicos presenta dos ventajas fundamentales, siendo la primera de ellas la posibilidad de considerar modelos avanzados de interacción química-turbulencia y la segunda el relevante ahorro de tiempo de cálculo. Sin embargo, estas tablas representan un gran espacio de datos cuya gestión eficiente no es trivial. El desarrollo de un almacenamiento adecuado para un acceso de datos rápido y directo así como un esquema de interpolación multidimensional también forma parte del presente trabajo. / Winklinger, JF. (2014). Implementation of a combustion model based on the flamelet concept and its application to turbulent reactive sprays [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48488 / TESIS

[ES] El objetivo de esta tesis es la investigación y análisis de la estructura interna de los chorros diésel reactivos y el efecto de las condiciones de contorno en los parámetros asociados a la combustión. Este objetivo se consigue por medio de la simulación numérica del chorro con modelos de turbulencia RANS y LES usando un modelo de combustión avanzado basado en el concepto flamelet. Para este estudio, se aplica una aproximación simplificada de las flamelets de difusión, conocidas en la literatura como Flamelets de Difusión Aproximadas (ADF en inglés), como fundamento del modelo de combustión. En una primera etapa, el modelo se valida con combustibles de diferente complejidad química en regímenes estacionarios y transitorios para el conjunto de posibles velocidades de deformación. Una vez se confirma su idoneidad para condiciones encontradas en chorros diésel, se aplica a la simulación del chorro A del Engine Combustion Network (ECN), representativo de chorros diésel. Para proporcionar un cuadro completo de los fenómenos subyacentes, la combustión se analiza inicialmente para condiciones homogéneas y llamas laminares para las distintas condiciones de contorno de este experimento. Después este análisis se complementa con la simulación de diferentes mecanismos químicos para determinar cómo las características del encendido predichas por el esquema de oxidación afectan a la propagación de llama. Los resultados obtenidos en esta etapa se enlazan con el análisis del chorro turbulento en el contexto de simulaciones RANS y LES para describir cómo el fenómeno de la combustión se modifica con los diferentes niveles de complejidad física. La estructura del chorro turbulento se describe profundamente para las distintas condiciones de contorno y mecanismos químicos en términos de mezcla y escalares reactivos para las fases temporales y las regiones espaciales de la llama. La satisfactoria concordancia con los resultados experimentales muestran que el concepto flamelet, y más particularmente el modelo ADF, es adecuado para las simulaciones de chorros diésel. / [CAT] L'objectiu d'esta tesi és la investigació i anàlisi de l'estructura interna dels dolls dièsel reactius i l'efecte de les condicions de contorn en els paràmetres associats a la combustió. Este objectiu s'aconsegueix per mitjà de la simulació numèrica del doll amb models de turbulència RANS i LES usant un model de combustió avançat basat en el concepte flamelet. Per a este estudi, s'aplica una aproximació simplificada de les flamelets de difusió, conegudes a la literatura com Flamelets de Difusió Aproximades (ADF en anglés), com a fonament del model de combustió. En una primera etapa, el model es valida amb combustibles de diferent complexitat química en règims estacionaris i transitoris per al conjunt de possibles velocitats de deformació. Una vegada es confirma la seua idoneïtat per a condicions trobades en dolls dièsel, s'aplica a la simulació del doll A del Engine Combustion Network (ECN), representatiu de dolls dièsel. Per a proporcionar un cuadre complet dels fenòmens subjacents, la combustió s'analitza inicialment per a condicions homogènies i flames laminars per a les distintes condicions de contorn d'aquest experiment. Després esta anàlisi es complementa amb la simulació de diferents mecanismes químics per a determinar com les característiques de l'encesa predites per l'esquema d'oxidació afecten la propagació de flama. Els resultats obtinguts en esta etapa s'enllacen amb l'anàlisi del doll turbulent en el context de simulacions RANS i LES per a descriure com el fenomen de la combustió es modifica amb els diferents nivells de complexitat física. L'estructura del doll turbulent es descriu profundament per a les distintes condicions de contorn i mecanismes químics en termes de mescla i escalars reactius per a les fases temporals i les regions espacials de la flama. La satisfactòria concordança amb els resultats experimentals mostren que el concepte flamelet, i més particularment el model ADF, és adequat per a les simulacions de dolls dièsel. / [EN] The objective of this thesis is the investigation and analysis of the internal structure of diesel-like reacting sprays and the effect of boundary conditions on combustion related parameters. This objective is achieved by means of the numerical simulation of the spray with RANS and LES turbulence models using an advanced combustion model based on the flamelet concept. For this study, a simplified approach for diffusion flamelets, known in the literature as Approximated Diffusion Flamelet (ADF), is applied as the basis of the combustion model. In a first step, this model is validated for fuels with different chemical complexity in steady and transient regimes for the whole set of possible strain rates. Once its suitability is confirmed for conditions found in diesel sprays, it is applied to the simulation of spray A from the Engine Combustion Network (ECN), representative of diesel-like sprays. In order to provide a complete picture of the underlying phenomena, combustion is initially analysed in homogeneous conditions and laminar flames for the different boundary conditions of this experiment. Later, this analysis is complemented with the simulation of different chemical mechanisms in order to determine how the ignition characteristics predicted by the oxidation scheme affect to the flame propagation. The results obtained at this stage are connected with the analysis of the turbulent spray in the context of RANS and LES simulations as a way to track how combustion phenomenon is modified at the different levels of physical complexity. The turbulent spray structure is thoroughly described for the different boundary conditions and chemical schemes in terms of mixing and reactive variables for both temporal phases and spatial flame regions. The satisfactory agreement with experimental results shows that the flamelet concept, and more particularly the ADF model, is suitable for diesel-like sprays simulations. / Pérez Sánchez, EJ. (2019). Application of a flamelet-based combustion model to diesel-like reacting sprays [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117316 / TESIS

[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

Each year fires destroy millions of acres of woodland, lives, and property, and significantly contribute to air pollution. Increased knowledge of the physics and properties of the flame propagation is necessary to broaden the fundamental understanding and modeling capabilities of fires. Modeling flame propagation in fires is challenging because of the various modes of heat transfer with diverse fuels, multi-scale turbulence, and complex chemical kinetics. Standard physical models of turbulence like RANS and LES have been used to understand the flame behavior, but these models are limited by computational cost and their inability to resolve sub-grid scales. Application of several other models and empirical studies in fire modeling are usually limited to fire spread rate only. In some fires, flame propagation often occurs through convective heating by direct flame contact as opposed to radiative preheating alone. Under these conditions, resolution of the flame front can provide the detailed physics and insights into the flame propagation. The One Dimensional Turbulence (ODT) model is extended to turbulent flame propagation in biomass fuel beds representative of those in wild land fires. ODT is a stochastic model that is computationally affordable and can resolve both large and fine scales. ODT has been widely applied to many reacting and non-reacting flows like jet flames and pool fires. A detailed particle combustion model has been developed and implemented in the ODT model to investigate the fluctuating flame-fuel interface and to study flame propagation properties. The particle reaction is modeled as a single global decomposition reaction model. Radiative, convective, and internal particle conductive heat transfer are included. Gaseous combustion is modeled with a lookup table parameterized by mixture fraction and fractional heat loss using steady laminar flame let solutions. Results are presented from simulations of flame propagation in buoyantly driven flows. Particle size and loading are varied to study their effects in flame spread. A timescale analysis is performed to compare radiative, convective, conductive, and reactive particle time scales to the turbulent fluctuations. The flame propagation in homogeneous turbulence is also studied which better represents the wildland fire. The time scales involved in the wildland fire are overlapped using LEM model to study their effects on the flame properties and flame spread.

[ES] En los últimos años, el interés por el desarrollo de motores de aviación limpios y eficientes se ha incrementado debido al impacto perjudicial sobre la salud y el medio ambiente ocasionado por los sistemas de combustión convencionales. En este contexto, la comunidad científica ha ido centrando cada vez más sus esfuerzos en el estudio de la combustión turbulenta y la generación de emisiones contaminantes como las partículas de hollín. Con los recientes avances en lo que respecta a potencia de cálculo, las simulaciones de alta fidelidad emergen como una valiosa alternativa para reproducir y analizar estos fenómenos. En concreto, las simulaciones basadas en el modelado de la turbulencia LES son consideradas como una de las herramientas numéricas más prometedoras a la hora de profundizar en la comprensión sobre los complejos procesos dinámicos que caracterizan el flujo reactivo turbulento y predecir emisiones de hollín en aplicaciones aeronáuticas. En el presente trabajo, se estudia y analiza la combustión turbulenta y producción de hollín en aplicaciones de turbina de gas mediante LES de alta fidelidad. El modelado de la combustión se aborda a través de un método flexible de química tabulada basado en el concepto flamelet, el cual es capaz de representar fenómenos químicos complejos con un coste computacional asequible. Además, se emplea una aproximación Euleriana-Lagrangiana para la descripción de la fase gaseosa y las gotas, de forma que se represente correctamente el flujo reactivo multifásico. Para la predicción de hollín en simulaciones computacionalmente eficientes, se emplea un novedoso enfoque de modelado basada en el método seccional y acoplada al modelo de combustión de química tabulada. Esta estrategia de modelado numérica es utilizada en este trabajo para analizar el proceso de combustión y evaluar sus capacidades para predecir hollín y las características de la llama en quemadores de turbina de gas representativos. En primer lugar, se estudia la combustión de flujo bifásico en una llama atmosférica sin torbellinador con inyección líquida de combustible. Este quemador presenta una estructura doble del frente reactivo y las simulaciones numéricas son capaces de capturar adecuadamente los fenómenos de extinción local que tienen lugar en la zona interna de la llama debido a la interacción de las gotas y la turbulencia con el frente reactivo. Posteriormente, se investiga la combustión y producción de hollín en un quemador presurizado con torbellinador que incluye aire secundario de dilución en el interior de la cámara de combustión. La validación del flujo reactivo y hollín se lleva a cabo tanto en la configuración del quemador con aire secundario como sin el mismo, mostrando unas excelentes capacidades predictivas en ambos casos. La presente estrategia de modelado reproduce de forma precisa el complejo patrón de flujo, la estructura de la llama y la dinámica de generación de hollín, además de que es capaz de proporcionar diferentes distribuciones de tamaño de partícula dependiendo de las variaciones en los procesos de formación y oxidación del hollín. En resumen, los diferentes casos prácticos estudiados permiten consolidar y validar la metodología computacional seguida en la presente tesis. La estrategia de modelado basada en química tabulada propuesta demuestra ser lo suficientemente válida y adecuada para reproducir los complejos fenómenos de la combustión y la formación de hollín, en vista de la consistencia del análisis, las precisas predicciones y la concordancia satisfactoria con las medidas experimentales. / [CA] En els últims anys, l'interés pel desenvolupament de motors d'aviació nets i eficients s'ha incrementat a causa de l'impacte perjudicial sobre la salut i el medi ambient ocasionat pels sistemes de combustió convencionals. En aquest context, la comunitat científica ha anat centrant cada vegada més els seus esforços en l'estudi de la combustió turbulenta i la generació d'emissions contaminants com les partícules de sutge. Amb els recents avanços pel que fa a potència de càlcul, les simulacions d'alta fidelitat emergeixen com una valuosa alternativa per a reproduir i analitzar aquests fenòmens. En concret, les simulacions basades en el modelatge de la turbulència LES són considerades com una de les eines numèriques més prometedores a l'hora d'aprofundir en la comprensió sobre els complexos processos dinàmics que caracteritzen el flux reactiu turbulent i predir emissions de sutge en aplicacions aeronàutiques. En el present treball, s'estudia i analitza la combustió turbulenta i la producció de sutge en aplicacions de turbina de gas mitjançant LES d'alta fidelitat. El modelatge de la combustió s'aborda a través d'un mètode flexible de química tabulada basat en el concepte flamelet, el qual és capaç de representar fenòmens químics complexos amb un cost computacional assequible. A més, s'empra una aproximació Euleriana-Lagrangiana per a la descripció de la fase gasosa i les gotes, de manera que es represente correctament el flux reactiu multifàsic. Per a la predicció de sutge en simulacions computacionalment eficients, s'empra un nou plantejament de modelatge basat en el mètode seccional i acoblat al model de combustió de química tabulada. Aquesta estratègia de modelatge numèrica és utilitzada en aquest treball per a analitzar el procés de combustió en cremadors de turbina de gas representatius, i avaluar les seues capacitats per a predir sutge i les característiques de la flama. En primer lloc, s'estudia la combustió de flux bifàsic en una flama atmosfèrica sense remolinador amb injecció líquida de combustible. Aquest cremador presenta una estructura doble del front reactiu i les simulacions numèriques són capaces de capturar adequadament els fenòmens d'extinció local que tenen lloc en la zona interna de la flama a causa de la interacció de les gotes i la turbulència amb el front reactiu. Posteriorment, s'investiga la combustió i producció de sutge en un cremador pressuritzat amb remolinador que inclou aire secundari de dilució a l'interior de la cambra de combustió. La validació del flux reactiu i sutge es duu a terme tant en la configuració del cremador amb aire secundari com sense aquest, mostrant unes estupendes capacitats predictives en tots dos casos. La present estratègia de modelatge reprodueix de manera precisa el complex patró de flux, l'estructura de la flama i la dinàmica de generació de sutge, a més de que és capaç de proporcionar diferents distribucions de grandària de partícula depenent de les variacions en els processos de formació i oxidació del sutge. En resum, els diferents casos pràctics estudiats permeten consolidar i validar la metodologia computacional seguida en la present tesi. L'estratègia de modelatge basada en química tabulada proposada demostra ser prou vàlida i adequada per a reproduir els complexos fenòmens de la combustió i la formació de sutge, en vista de la consistència de l'anàlisi, les precises prediccions i la concordança satisfactòria amb les mesures experimentals. / [EN] In recent years, interest in the development of efficient and clean aviation powerplants has increased due to the detrimental impact on health and the environment caused by conventional combustion systems. In this context, the research community has increasingly focused its efforts on the study of turbulent combustion and the generation of pollutant emissions such as soot particulates. With recent advances in computational power, high-fidelity simulations emerge as a valuable alternative to reproduce and analyze these phenomena. Specifically, Large Eddy Simulations (LES) are considered as one of the most promising numerical tools to provide further insight into the complex dynamic processes that characterize reactive turbulent flows and predict soot emissions in aeronautical applications. In the present work, turbulent combustion and soot production is studied and analyzed in gas turbine engine applications by means of high-fidelity LES. Combustion modelling is addressed by a flexible tabulated chemistry method based on the flamelet concept, which is able to represent complex chemical phenomena with an affordable computational cost. In addition, an Eulerian- Lagrangian description is employed for the gas phase and droplets in order to correctly represent the multiphase flow in spray flames. A recently developed approach based on the sectional method and coupled to the tabulated chemistry framework is considered for soot prediction in computationally efficient simulations. This numerical modelling framework is used in this work to analyze the combustion process and evaluate its capabilities to predict soot and flame characteristics in representative gas turbine burners. First, an atmospheric non-swirled spray flame is studied in terms of two-phase flow combustion. This burner shows a double reaction front structure and local extinction occurs in the inner layer due to both droplet-flame and turbulence-flame interactions, which is properly characterized by LES. Subsequently, combustion and soot production is investigated in a pressurized swirled model combustor which includes secondary dilution jets inside the combustion chamber. The assessment of the reacting flow field and soot is addressed for burner configurations with and without secondary air, showing excellent predictive capabilities in both cases. The present modelling approach accurately reproduce the complex swirled flow field, flame structure and soot dynamics and is able to provide different particle size distributions depending on the variations of the soot formation and oxidation processes. In summary, the different practical cases studied allow to consolidate and validate the computational methodology followed in the present thesis. The proposed tabulated modelling strategy is sufficiently valid and suitable for reproducing complex combustion and soot formation phenomena, in view of the consistency of the analysis, the accurate predictions and the satisfactory agreement with the experimental measurements. / El desarrollo de la presente tesis ha sido posible gracias a una ayuda para la Formación de Profesorado Universitario (FPU 18/03065) perteneciente al Subprograma Estatal de Formación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España. Además, el trabajo desarrollado está enmarcado en el proyecto ESTiMatE (Emissions SooT ModEl), que ha sido financiado por el consorcio Clean Sky 2 bajo el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo No. 821418). Las actividades de simulación numérica han sido posibles gracias a la Red Española de Supercomputación y al Centro de Supercomputación de Barcelona por los recursos computacionales proporcionados en MareNostrum, además del grupo PRACE por conceder el acceso a HAWK (GCS, HLRS, Alemania) a través del proyecto SootAero. / Olmeda Ramiro, I. (2023). Assessment of Detailed Combustion and Soot Models for High-Fidelity Aero-Engine Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202284

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.

In this study, numerical simulations of a low emission lab-scale non-premixed combustor are conducted and analyzed. The objectives are to provide new insight into the physical phenomena in the SPRF (Stagnation Point Reverse Flow) combustor built in the Georgia Tech Combustion Lab, and to compare three Large Eddy Simulation (LES) combustion models (Eddy Break-Up [EBU], Steady Flamelet [SF] and Linear Eddy Model [LEM]) for non-premixed combustion. The nominal operating condition of the SPRF combustor achieves very low NOx and CO emissions by combining turbulent mixing of exhaust gases with preheated reactants and chemical kinetics. The SPRF numerical simulation focuses on capturing the complex interaction between turbulent mixing and heat release. LES simulations have been carried out for a non-reactive case in order to analyze the turbulent mixing inside the combustor. The LES results have been compared to PIV experimental data and the code has been validated. The dominating features of the operational mode of the SPRF combustor (dilution of hot products into reactants, pre-heating and pre-mixing) have been analyzed, and results from the EBU-LES, SF-LES and LEM-LES simulations have been compared. Analysis shows that the LEM-LES simulation achieves the best agreement with the observed flame structure and is the only model that captures the stabilization processes observed in the experiments. EBU-LES and SF-LES do not predict the correct flow pattern because of the inaccurate modeling of sub-grid scale mixing and turbulence-combustion interaction. Limitations of these two models for this type of combustor are discussed.

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.

This dissertation addresses the analysis of partially premixed flame configurations and the detection and characterization of their local flame regimes. First, the identification of flame regimes in experimental data is intensively discussed. Current methods for combustion regime characterization, such as the flame index, rely on 3D gradient information that is not accessible with available experimental techniques. Here, a method is proposed for reaction zone detection and characterization, which can be applied to instantaneous 1D Raman/Rayleigh line measurements of major species and temperature as well as to the results of laminar and turbulent flame simulations, without the need for 3D gradient information. Several derived flame markers, namely the mixture fraction, the heat release rate and the chemical explosive mode, are combined to detect and characterize premixed versus non-premixed reaction zones. The methodology is developed and evaluated using fully resolved simulation data from laminar flames. The fully resolved 1D simulation data are spatially filtered to account for the difference in spatial resolution between the experiment and the simulation, and experimental uncertainty is superimposed onto the filtered numerical results to produce Raman/Rayleigh equivalent data. Then, starting from just the temperature and major species, a constrained homogeneous batch reactor calculation gives an approximation of the full thermochemical state at each sample location. Finally, the chemical explosive mode and the heat release rate are calculated from this approximated state and compared to those calculated directly from the simulation data. After successful validation, the approach is applied to Raman/Rayleigh line measurements from laminar counterflow flames, a mildly turbulent lifted flame and turbulent benchmark cases. The results confirm that the reaction zones can be reliably detected and characterized using experimental data. In contrast to other approaches, the presented methodology circumvents uncertainties arising from the use of limited gradient information and offers an alternative to known reaction zone identification methods. Second, this work focuses on the flame structure of partially premixed dimethyl ether (DME) flames. DME flames form significant intermediate hydrocarbons in the reaction zone and are classified as the next more complex fuel candidate in research after methane. To simulate DME combustion processes, accurate predictions by computational combustion models are required. To evaluate such models and to identify appropriate flame regimes, numerical simulations are necessary. Therefore, fully resolved simulations of laminar dimethyl ether flames, defined by different levels of premixing, are performed. Further, the qualitative two-dimensional structures of the partially premixed DME flames are discussed and analyses are carried out at selected slices and compared to each other as well as to experimental data. Further, the flamelet/progress variable (FPV) approach is investigated to predict the partially premixed flame structures of the DME flames. In the context of the FPV approach, a rigorous analysis of the underlying manifold is carried out based on the newly developed regime identification approach and an a priori analysis. The most promising flamelet look-up table is chosen for the fully coupled tabulated chemistry simulations and the results are further compared to the fully resolved simulation data.