[en] The quest to reduce carbon-based emissions has led to the use of alternative fuels and combustion systems. The aviation industry presents unique challenges due to the need for high-energy fuels, with e-fuels and hydrogen among the early candidates to facilitate net-carbon neutrality. To this end, LES simulations of turbulent reacting flows have emerged as key design and analysis tools. Capturing the complexities of realistic burner configurations poses a multi-scale, multi-physics problem. The inherent flow complexities and multi-fuel systems often result in practical systems operating in multi-regime combustion, a consequence of mixture inhomogeneity that promotes a complex response of burning rates and pollutant formation. It is therefore fundamental that the models reacting flows capture this complex response. Combustion can be solved using a variety of methods that balance generality and computational cost. Finite rate chemistry methods are the most general but also prohibitively expensive, while manifold-based methods offer a feasible option but with limited generality. This study addresses the problem of multi-regime combustion from both perspectives and advances the current state-of-the-art in these methods. Acceleration in the FRC solver is achieved by focusing on the most computationally expensive task: chemical integration. The two fold strategy reduces chemistry and utilises solvers that take advantage of the reduction. After briefly discussing chemistry reduction methods, a novel dynamic adaptive chemistry (TRAC), which is based on the dynamic tabulation of reactions in a low-order manifold space is presented. TRAC is analysed in canonical combustion problems, where a speedup of around 30 % was achieved at a negligible loss in accuracy. Despite the gains in computational performance complete description of turbulent reacting flows in the limit of the current computational resources is unfeasible, this leads naturally to the other facet of the study, which is to include generality in manifold based methods. Regarding manifold based methods, two strategies were analysed, namely, the multi-regime flamelet and the multi-mode combustion model. The models were tested in 1-D and 2-D benchmark problems, where the multi-mode combustion method excels at highly stratified flows. Though, for low and moderately stratified flows both the methods show better prediction than conventional manifold methods. The multi-model combustion model is applied to the multi-regime burner (MRB), where it reproduces global and conditional flame statistics. Overall, the objectives of realising multi-regime combustion at various levels of complexity was achieved using the different strategies studied. Lastly, concluding remarks are given for the usability of the methods in context of current HPC scenario.

[es] La búsqueda de reducir las emisiones basadas en carbono ha llevado al uso de combustibles alternativos y sistemas de combustión. La industria de la aviación presenta desafíos únicos debido a la necesidad de combustibles de alta energía, con los e-fuels y el hidrógeno como algunos de los primeros candidatos para facilitar la neutralidad de carbono. En este sentido, las simulaciones LES de flujos turbulentos reactivos han surgido como herramientas clave de diseño y análisis. Capturar las complejidades de configuraciones de quemadores realistas plantea un problema multiescala y multifísico. Las complejidades inherentes del flujo y los sistemas de combustibles múltiples a menudo resultan en sistemas prácticos que operan en combustión de régimen múltiple, consecuencia de la inhomogeneidad de la mezcla, que promueve una respuesta compleja de las tasas de combustión y la formación de contaminantes. Por lo tanto, es fundamental que los modelos de flujos reactivos capturen esta respuesta compleja. La combustión se puede resolver utilizando una variedad de métodos que equilibran la generalidad y el coste computacional. Los métodos de química de tasa finita son los más generales, pero también prohibitivamentes costosos, mientras que los métodos basados en manifold ofrecen una opción factible pero con limitada generalidad. Este estudio aborda el problema de la combustión de régimen múltiple desde ambas perspectivas y avanza el estado del arte en estos métodos. La aceleración en el solucionador FRC se logra centrándose en la tarea más costosa computacionalmente: la integración química. La estrategia en dos partes reduce la química y utiliza solucionadores que aprovechan la reducción. Después de discutir brevemente los métodos de reducción de química, se presenta un novedoso método de química adaptativa dinámica (TRAC), que se basa en la tabulación dinámica de reacciones en un espacio de manifold de bajo orden. TRAC se analiza en problemas de combustión canónicos, donde se logró una aceleración de alrededor del 30 % con una pérdida de precisión insignificante. A pesar de las mejoras en el rendimiento computacional, la descripción completa de los flujos turbulentos reactivos dentro de los límites de los recursos computacionales actuales es inviable, lo que conduce naturalmente a la otra faceta del estudio, que es incluir generalidad en los métodos basados en manifold. En cuanto a los métodos basados en manifold, se analizaron dos estrategias, a saber, el flamelet de régimen múltiple y el modelo de combustión multimodal. Los modelos se probaron en problemas de referencia 1-D y 2-D, donde el método de combustión multimodal sobresale en flujos altamente estratificados. Aunque, para flujos baja y moderadamente estratificados, ambos métodos muestran mejores predicciones que los métodos de manifold convencionales. El modelo de combustión multimodal se aplica al quemador de régimen múltiple (MRB), donde reproduce estadísticas globales y condicionales de la llama. En general, se lograron los objetivos de realizar combustión de régimen múltiple a varios niveles de complejidad utilizando las diferentes estrategias estudiadas. Finalmente, se dan comentarios finales sobre la usabilidad de los métodos en el contexto del escenario actual de HPC.