Numerical simulation of flames using flamelet models

Abstract

The thesis topic is located in the domain of numerical simulation of laminar flames. The principal aim of the presented research is the study of numerical techniques for the multidimensional simulation of flames with low computational costs. Present work is divided into three parts: First part is related to the development of a C++ simulation code for 1D laminar premixed flames. In the second part, a new technique to account for differential diffusion effects is proposed, which is based on tabulated chemistry methods. The third part focuses on the analysis of partially premixed flames.

A dedicated one-dimensional flame code is discussed for the simulation of complex/detailed chemistry and diffusion processes in premixed laminar flames. This code is written in C++ and is able to use different diffusion models (Fickian, Hirschfelder and Curtiss). The code yields accurate solutions of the major parameters as well as pollutant formation, both in the flame zone as well as downstream in the post-flame region. Results prove the accuracy of the code when compared to experimental data.

Following, a new technique is proposed to include differential diffusion effects into flamelet models. This approach is developed in the context of tabulated chemistry methods.The technique is based on correcting the progress-variable of flamelet models. The main feature of the proposed technique is the use of only one progress variable equation (1D manifold) without requiring a second parameter. This correction technique allows including detailed chemistry effects at low-cost in numerical simulation of multidimensional flames. A series of simulations are carried out for various flames. The results are excellently matched with full model solutions/detailed chemistry solutions.

The flamelet solutions databases, namely premixed and non-premixed, are further tested for partially premixed flames. This study is based on the investigation of partially premixed flame using single mode flamelet database solutions. For the verification of database solutions, finite rate chemistry simulations are also carried out to solve partially premixed flames. 3D jet coflow simulations are performed for three different level of premixing and results are compared with experimental data. The results show good agreement along with capabilities and limitations of flamelet databases solutions.

El tema de la tesi es troba en el domini de la simulació numèrica de les flames laminars. L'objectiu principal de la investigació presentada és l'estudi de tècniques numèriques per a la simulació multidimensional de flames amb baixos costos computacionals. El treball actual es divideix en tres parts: La primera part es relaciona amb el desenvolupament d'un codi 1D de simulació C ++ per flames laminars premesclades. A la segona part, es proposa una nova tècnica per explicar els efectes de difusió diferencial, que es basa en mètodes de química tabulada. La tercera part se centra en l'anàlisi de flames parcialment premesclades. Es discuteix un codi de flama unidimensional dedicat per a la simulació de processos complexos i detallats de química i difusió en flames laminars premesclades. Aquest codi està escrit en C ++ i és capaç d'utilitzar diferents models de difusió (Fickian, Hirschfelder i Curtiss). El codi proporciona solucions precises dels paràmetres principals, així com la formació de contaminants, tant a la zona de la flama com a la regió posterior a la flama. Els resultats demostren l'exactitud del codi en comparació amb les dades experimentals. A continuació, es proposa una nova tècnica per a incloure efectes de difusió diferencial en models de flamelet. Aquest enfocament es desenvolupa en el context dels mètodes tabulats de química. La tècnica es basa en la correcció de la variable de progrés dels models de flamelet. La característica principal de la tècnica proposada és l'ús d'una única equació de variable de progrés (espai 1D) sense necessitat d'un segon paràmetre. Aquesta tècnica de correcció permet incloure efectes químics detallats a baix cost en la simulació numèrica de flames multidimensionals. Una sèrie de simulacions es realitzen per diverses flames. Els resultats mostren una concordància excel·lentment amb solucions completes/detallades de la química. Les bases de dades de solucions de flamelet, a saber premesclades i no premesclades, es sotmeten a proves addicionals per flames parcialment premesclades. Aquest estudi es basa en la investigació de flames parcialment prebarrejades utilitzant solucions de base de dades monomode. Per a la verificació d'aquestes bases de dades, es realitzen simulacions de química de velocitat finita per resoldre flames parcialment premesclades. Es realitzen simulacions de flux d'aire en 3D per a tres nivells diferents de premescla i els resultats es comparen amb dades experimentals. Els resultats mostren un bon acord juntament amb les capacitats i limitacions de les solucions de bases de dades de flamelet.