Modelización de la combustión de llamas turbulentas mediante la simulación de las Grandes Escalas (2011)

En este trabajo se desarrolla una estrategia para el modelado de flujos turbulentos reactivos basada en el uso de Linear Eddy Model (LEM) como modelo submalla en Simulaciones de las Grandes Escalas (LES). Esta tecnica, denominada S-LEM (Subgrid-LEM) en esta investigacion, modela todos los procesos fisicos que ocurren por debajo de la resolucion de la malla (difusion molecular, conveccion turbulenta y, en su caso, reacciones quimicas) en un dominio unidimensional inmerso en cada una de las celdas de la malla. El dominio submalla es discretizado para resolver todo el rango de escalas entre el tamano caracteristico de la celda (escala de filtrado en LES) y la escala mas pequena del flujo (escala de Kolmogorov), por lo que los terminos de difusion y de reaccion quimica se pueden determinar de manera exacta, evitando las hipotesis sobre la interaccion entre la quimica y la turbulencia. Los procesos submalla son, por tanto, representados con una ecuacion unidimensional transitoria de difusion-reaccion. Los efectos de la conveccion submalla (torbellinos turbulentos) se modelan mediante procesos estocasticos (triplet maps) de acuerdo al procedimiento original del modelo LEM. El transporte entre los dominios submalla, por efecto de las grandes escalas, se modela mediante una tecnica denominada splicing que intercambia porciones de los subdominios de acuerdo al gasto masico entre celdas contiguas y a la intensidad local de las fluctuaciones turbulentas. En esta tesis, el algoritmo de splicing desarrollado incorpora contribuciones de alto orden en el modelado de la conveccion. El procedimiento propuesto se basa en una analogia con los llamados esquemas convectivos del metodo de discretizacion por volumenes finitos. En la investigacion se emplean las llamas experimentales C, D y E de los laboratorios Sandia, que corresponden a sistemas no premezclados y estabilizados con una corriente piloto. Las ecuaciones filtradas de conservacion que describen la dinamica del flujo son discretizadas mediante volumenes finitos. El proceso de combustion y sus interacciones con la turbulencia se han modelado con dos estrategias diferentes: un modelo de flamelets estacionario con funciones de densidad de probabilidad de forma supuesta y, por primera vez para estas configuraciones, Linear Eddy Model. El documento revisa concisamente el estado del arte de LES y las principales estrategias para el modelado de los flujos turbulentos reactivos. El comportamiento de los algoritmos numericos mas relevantes se evalua previamente a las simulaciones principales. Las predicciones mostradas pueden clasificarse en: (a) simulaciones con el modelo de flamelets, (b) con S-LEM sin la cinetica quimica y (c) con S-LEM incorporando el proceso de combustion. En el caso (a), las simulaciones combinando LES y flamelets (con un mecanismo quimico de 16 especies y 35 reacciones) muestran una prediccion adecuada del flujo y de las principales especies quimicas y temperatura. Esto confirma la validez de la hipotesis de flamelets estacionarios en estas llamas, incluso en la E, que posee mayor probabilidad de extincion local. En el caso (b), a las simulaciones con flamelets, se incorpora el modelo S-LEM para determinar el transporte de un escalar no reactivo (fraccion de mezcla). La evolucion de este escalar, su varianza y tasa de disipacion, concuerdan razonablemente con las respectivas variables eulerianas modeladas en LES, lo que valida la representacion de los procesos de splicing y mezcla submalla implementados en S-LEM. En el caso (c), la reaccion de combustion es incorporada a los procesos submalla de S-LEM para determinar el estado termoquimico del flujo. La cinetica quimica es representada en este caso mediante un mecanismo simplificado que, aunque solo consta de un paso, ajusta el calor liberado en la reaccion y la temperatura de activacion en funcion del ratio de equivalencia local del flujo. Los resultados mejoran el acuerdo con los experimentos presentado en el modelado con flamelets. La informacion extraida de los subdominios de S-LEM es usada para analizar la estructura submalla de los escalares, principalmente de la tasa de disipacion (para la que existen medidas experimentales en distintas posiciones de las llamas analizadas). Los resultados muestran que el modelo desarrollado predice razonablemente esta estructura. La dispersion de especies quimicas es similar a la experimental. A traves del tratamiento numerico de estas dispersiones en el punto estequiometrico, se ha demostrado que el modelo captura las complejas interacciones entre la cinetica quimica y la turbulencia en las tres llamas analizadas.