High-fidelity numerical simulations of reacting flows with tabulated chemistry
Authors:   , Both Ambrus 
Published: October 2024

(English) In the transition to net-zero carbon emission technologies, turbulent combustion is expected to retain an important role in various applications. In particular, the aviation industry is projected to widely adapt the usage of biofuels and hydrogen-based fuels in the coming decades, while the regulations concerning non-CO2 pollutant emissions are becoming more stringent. This transition entails both the gradual evolution of existing burner technologies, and the exploration of revolutionary new concepts. Large-eddy simulation of these combustion systems provides valuable insight into complex dynamic phenomena, such as flame stability and pollutant formation, thus it is an increasingly more important component of the engine development process. Such high-fidelity simulation approaches need to be further developed, gaining confidence in their applicability and exploring their limitations, while keeping in mind the complexity of available high-performance computing resources. This dissertation presents the development of computational tools for the study of multiphase reacting flows, and their application on model aero-engine combustors.
Specifically, the present work applies tabulated chemistry methods for combustion modeling, which allow for the representation of complex chemical phenomena while keeping the computational cost feasible. Furthermore, liquid fuel droplets are modeled in a Lagrangian manner, giving an intuitive representation of sprays. Stand-alone computational tools are created to facilitate the user friendly flamelet calculation and tabulation in a unified framework, and to increase confidence in droplet evaporation models through single droplet simulations. Meanwhile, a high-fidelity simulation method is implemented in the multi-physics simulation code: Alya, utilizing the various preexisting code elements, and exploiting the ongoing development efforts of a large team. In particular, the low-dissipation Navier-Stokes solver of Alya is extended here to variable density flows under low Mach number conditions. This Navier-Stokes solver is coupled with arbitrarily complex thermo-chemical tables in a new framework.
The developed stand-alone tools are used in this work to analyze the single droplet behavior, and to explore steady and temporally evolving laminar flamelets, and their applicability to chemistry tabulation. Subsequently the new framework of Alya is validated extensively and it is used in the analysis of tabulated chemistry methods. The turbulent combustion process in model aero-engines is studied with the developed method at atmospheric pressure. The flame stabilization phenomenon is analyzed in a swirl stabilized technically premixed hydrogen burner approaching flashback conditions. This turbulent hydrogen flame is studied using a perfectly premixed assumption and considering mixture fraction stratifications as well. Subsequently, the Cambridge swirl bluff-body burner is studied under different conditions. A non-premixed gaseous methane flame and two spray flames using n-heptane and n-dodecane fuels are simulated close to the lean blow-out limit, studying the shear induced localized extinction in detail. The prediction of this finite rate chemistry effect is a challenging task for the applied tabulated chemistry methods, however valuable insight is gained on the applicability of different thermo-chemical manifolds, and on the effect of the liquid fuel behavior.
Overall, the implemented low-dissipation finite element method is capable of predicting complex unsteady combustion phenomena, despite the simplicity of the tabulated chemistry methods. The work presented herein has been published in two peer reviewed journal articles and several conference contributions. The developed simulation framework enables the further study of industrially relevant combustion systems using high-performance computing resources.
(Català) En la transició cap a tecnologies de zero emissions de carboni, es preveu que la combustió turbulenta mantingui un paper important en diverses aplicacions. En el cas de la indústria de l'aviació, s'espera un ús ampli de biocombustibles i combustibles basats en l'hidrogen en les properes dècades, mentre que les regulacions relatives a les emissions de contaminants no CO2 es tornen més estrictes. Aquesta transició implica tant l'evolució gradual de les tecnologies de combustió existents com l'exploració de nous conceptes revolucionaris. L'aplicació de la tècnica de 'large-eddy simulation' per simular aquests sistemes de combustió proporciona informació valuosa dels fenòmens dinàmics complexos, com l'estabilitat de la flama i la formació de contaminants, convertint-se cada vegada en una part més important del procés de desenvolupament del motor. Aquest tipus de simulacions d'alta fidelitat segueixen encara en desenvolupament, buscant millorar la seva fiabilitat i explorant les seves limitacions, tenint en compte la complexitat dels recursos de computació d'alt rendiment disponibles. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'eines computacionals per l'estudi de fluxos reactius multifàsica i la seva aplicació en models de combustors de motors d'aviació.
En concret, aquest estudi aplica mètodes de química tabulada per a la modelització de la combustió, que permeten la representació de fenòmens químics complexos, al mateix temps que mantenen un cost computacional factible. Les gotes de combustible líquid són modelades de manera Lagrangiana, donant una representació intuïtiva dels esprais. Eines computacionals són creades per facilitar el càlcul i la tabulació de 'flamelets' d'una manera senzilla, i per augmentar la confiança en els models d'evaporació de gotes. Al mateix temps, un mètode de simulació de alta fidelitat s'implementa en el codi de simulació multifísica Alya, utilitzant els diversos elements de codi preexistents i aprofitant els esforços d'un gran equip de programadors. En concret, el mòdul de Navier-Stokes de baixa dissipació d'Alya s'adapta aquí a fluxos de densitat variable en condicions de baix número de Mach. Aquest codi està acoblat amb taules termoquímiques en un nou marc de treball.
Els codis desenvolupades en aquest treball s'utilitzen per analitzar el comportament de gotes, i per explorar 'flamelets' estables i evolutius, així com la seva aplicabilitat a la tabulació química. El nou marc de treball d'Alya s'ha validat àmpliament i s'ha utilitzat en l'anàlisi de mètodes de tabulació química. El procés de combustió turbulent en motors d'aviació ha estat estudiat amb el mètode desenvolupat a pressió atmosfèrica. El fenomen d'estabilització de la flama s'ha analitzat en un cremador pre-mesclat d'hidrogen que s'apropa a les condicions de retrocés de flama. Aquesta flama d'hidrogen turbulent s'ha estudiat tan assumint una pre-mescla perfecta com considerant estratificacions de fracció de mescla. Posteriorment, s'ha estudiat el cremador de Cambridge tipus 'swirl bluff-body', en diferents condicions. S'han simulat una flama de metà no pre-mesclat i dues flames de pulverització utilitzant combustibles de n-heptà i n-dodecà, estudiant l'extinció localitzada amb detall. La predicció d'aquest efecte de química de taxa finita és una tasca difícil per als mètodes de tabulació química aplicats, però s'obté una idea sobre l'aplicabilitat de diferents mètodes i sobre l'efecte del comportament del combustible líquid.
En general, el mètode d'elements finits de baixa dissipació implementat és capaç de predir fenòmens de combustió complexos, malgrat la simplicitat dels mètodes de tabulació química. El treball presentat s'ha publicat en dos articles de revistes revisades per experts i en diverses contribucions a conferències. El marc de simulació desenvolupat permetrà ampliar l'estudi de sistemes de combustió industrialment rellevants utilitzant recursos de computació d'alt rendiment.