Implementation of detailed chemistry in large-scale combustion computations

The use of combustion for the production of energy must comply with increasingly stringent regulations, pushing towards higher efficiencies and lower emissions of pollutant compounds. In this scenario, the research towards newer fuels and burning technologies assumes a key importance. In the latest years significant progresses have already been attained, and the margins for further improvement are still wide. To this end, the role of numerical simulations in support of experimental research has recently become more and more central. Specifically, the higher available computing power has allowed to use detailed kinetic models for the simplest fuels (methane, hydrogen, etc.), which are required to give a predictive value to numerical simulations. Yet, for real fuels like those used for transportation purposes, a direct utilization of detailed chemistry is not currently possible, because of their excessive size. The purpose of this Thesis is originated from this limitation affecting detailed mechanisms. Although the field of kinetic mechanism reduction has been very active for at least three decades, at present a generalized procedure to obtain a systematic reduction with the desired degree of accuracy on defined targets is not available yet. The existing, state-of-the-art methods, based on the coupling between flux analysis and sensitivity analysis, are often insufficient to obtain a satisfactory size, such that the obtained schemes can be used in combustion simulations. Moreover, they are targeted at preserving accuracy on fuel reactivity, in terms of ignition delay time, thus excluding phenomena not directly related to it, like pollutants formation. For this reason, a multi-step approach was developed, where multiple reduction techniques were combined. It is shown that a substantial degree of reduction could be ensured by an upstream chemical lumping, i.e. by grouping the isomers of the intermediate species and radicals, without affecting model accuracy. Its combination with the established flux and sensitivity analysis techniques provides a significant advantage in the size of the reduced mechanisms, which becomes even wider with the increasing fuel complexity. Sensitivity analysis is also extended to include different targets throughout the reduction procedure. In order to quantify the capability of a kinetic mechanism in reproducing the dynamics of species formation, a multi-faceted methodology for curve comparison was developed. Initially conceived for comparing kinetic models and experiments, it was implemented in the reduction framework to rank skeletal models according to a defined target property, and a Species-Targeted Sensitivity Analysis was successfully included in the reduction framework. The overall approach was implemented into a freely-available numerical tool through a parallel programming protocol, thus allowing to carry out mechanism reduction within hours. The availability of this reduction framework allows to carry out fundamental studies of combustion dynamics with a significant decrease of the required times. Also, a greater level of detail can be placed on the aspects not directly related to chemical kinetics. Two case studies better illustrate this concept. The two-phase ignition of multicomponent droplets in a homogeneous environment was investigated, and the role of preferential evaporation in gas-turbine relevant conditions was quantified. The implementation of a multicomponent diffusion model, as well as a cubic equation of state to account for equilibrium, allowed to find operating conditions, in terms of starting diameter and equivalence ratio, where preferential evaporation is strongly affecting the two-phase ignition. Moreover, the influence of low-temperature chemistry in such conditions is highlighted, and its crucial role in the region governed by preferential evaporation is demonstrated. The species-targeted reduction methodology was then applied to the case of soot formation from real fuels. Starting from a discrete sectional model to couple gas and solid phase, the reduction framework required proper adaptation of the target properties, due to the continuous distribution of particle size and composition characterizing soot. By setting mass fraction and particle size distribution as reduction targets, a skeletal mechanism was obtained, and its benchmark against original mechanism and experimental data provided a positive outcome. The obtained mechanism was used to investigate the evolution of soot in isolated droplets in microgravity conditions. This allowed to observe the formation of an inner soot layer, surrounded by the flame front, both progressively moving away from the droplet surface (coherently with experimental observations). Specifically, (i) the thermophoretic effect was found to be the critical factor causing maximum volume fractions orders of magnitude higher than what observed in gas-phase diffusion flames, and (ii) radiation was found to have a strong impact on the extinction of sooting droplets, for which a simple gray-gas model, currently used in most Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations, is not accurate enough to predict flame radiance.

La produzione di energia tramite processi di combustione è al giorno d'oggi sottoposta a limiti di legge sempre più restrittivi, che spingono verso maggiori efficienze e minori emissioni di sostanze inquinanti. In questo scenario, la ricerca verso nuovi combustibili e nuove tecnologie di combustione assume un ruolo di primo piano. Negli ultimi anni progressi significativi sono stati già ottenuti, ma i margini per un ulteriore miglioramento sono ancora ampi. A tal fine, il ruolo delle simulazioni numeriche a supporto della ricerca sperimentale è recentemente diventato sempre più centrale. In particolare, la maggiore potenza computazionale a disposizione di università e industrie ha permesso di utilizzare, per i combustibili più semplici (metano, idrogeno, ecc.) modelli cinetici dettagliati, che sono essenziali per dare un valore predittivo alle simulazioni numeriche. Tuttavia, per combustibili più complessi come quelli utilizzati per il trasporto pubblico e privato, l'utilizzo diretto di cinetiche dettagliate non è attualmente possibile a causa delle dimensioni eccessive. Lo scopo di questa Tesi nasce da questa limitazione che caratterizza la maggior parte degli schemi cinetici dettagliati. Sebbene la riduzione di meccanismi cinetici è un campo di ricerca molto attivo da almeno tre decenni, attualmente una procedura generalizzata per ottenere una riduzione sistematica con il grado di accuratezza richiesto su determinate proprietà non è stato ancora sviluppato. Infatti, le più recenti metodologie di riduzione, basate sull'accoppiamento tra analisi dei flussi e analisi di sensitività, sono spesso insufficienti per ottenere delle dimensioni accettabili per un successivo utilizzo in simulazioni di combustione. Inoltre, finora queste tecniche sono sempre state mirate a mantenere una corretta reattività del combustibile, in termini di tempi di autoignizione. In questo modo, l'accuratezza su proprietà non direttamente legate a questo, come la formazione di composti inquinanti, non può essere garantita. Per questo motivo, in questa Tesi un processo composto di più stadi è stato sviluppato, in cui più tecniche di riduzione sono state combinate in serie. Infatti, viene mostrato come una riduzione significativa può essere ottenuta mediate un “lumping chimico” delle specie in gioco, ovvero raggruppando gli isomeri di specie e radicali intermedie in pseudo-specie, senza ripercussioni significative sull'accuratezza del modello cinetico. La combinazione di questo approccio con le tecniche consolidate di analisi dei flussi e analisi di sensitività fornisce un vantaggio significativo nella dimensione dei meccanismi ridotti, che diventa tanto piu evidente all'aumentare della complessità del combustibile considerato. Inoltre, l'analisi di sensitività è estesa per includere differenti proprietà come obiettivo di riduzione. Al fine di quantificare la capacità di un meccanismo cinetico nel riprodurre la dinamica di formazione delle specie obiettivo, una metodologia per il confronto tra curve è stata sviluppata. In un primo momento, questa è stata ideata per confrontare modelli cinetici ed esperimenti; in seguito, questa è stata implementata nella metodologia di riduzione per classificare meccanismi scheletali in funzione di una determinata proprietà obiettivo, ed una Species-Targeted Sensitivity Analysis è stata inclusa con successo nell'approccio generale. Questo è stato implementato in un codice numerico, liberamente accessibile alla comunità scientifica, tramite un protocollo di programmazione parallela, permettendo quindi di eseguire una riduzione dei meccanismi cinetici in tempi dell'ordine delle ore. La disponibilità di questo approccio generale alla riduzione ha permesso di eseguire studi fondamentali delle dinamiche di combustione con una diminuzione significativa dei tempi richiesti. Inoltre, in questo modo un maggiore livello di dettaglio può essere garantito su aspetti non direttamente legati alla cinetica chimica. Due esempi illustrano meglio questo concetto. L'ignizione di gocce multicomponente in un ambiente gassoso omogeneo è stata analizzata, ed è stato possibile quantificare il ruolo dell'evaporazione preferenziale nelle condizioni caratteristiche delle turbine a gas. L'implementazione di un modello di diffusione multicomponente e l'utilizzo di una equazione di stato cubica per tenere in conto l'equilibrio liquido-vapore, ha permesso di individuare condizioni operative, in termini di diametro e rapporto di equivalenza globale, in cui l'evaporazione preferenziale influenza notevolmente l'ignizione bifase. Inoltre, nelle condizioni considerate è stata individuata una notevole influenza delle cinetiche di bassa temperatura, il cui ruolo cruciale nella regione governata dall'evaporazione preferenziale è stato dimostrato. La metodologia di riduzione è stata quindi applicata al caso della formazione di soot da combustibili liquidi. Partendo da un modello a sezioni discrete per accoppiare fase liquida e fase gassosa, l'approccio sviluppato ha richiesto una modifica opportuna per tenere in conto le proprietà caratteristiche del soot, ovvero una distribuzione continua delle dimensioni delle particelle e delle relative composizioni. Impostando frazione massiva e distribuzione delle dimensioni delle particelle come proprietà obiettivo è stato possibile ottenere un meccanismo scheletale, validato positivamente in casi mono- e bidimensionali, tramite confronto con dati sperimentali e meccanismo originale. Lo schema ottenuto è stato utilizzato per analizzarre l'evoluzione del soot in gocce isolate in condizioni di microgravità. Ciò ha permesso di osservare la formazione di un guscio interno di soot, circondato da un fronte di fiamma. Coerentemente con le osservazioni sperimentali, è stato possibile verificare che entrambi si allontatano progressivamente dalla superficie della goccia. Inoltre, è stato possibile verificare che (i) l'effetto termoforetico è il fattore critico che causa frazioni volumetriche di soot ordini di grandezza più elevati di quanto osservato in fiamme diffusive in fase gas, e che (ii) la radiazione della fiamma ha un impatto decisivo sull'estinzione delle gocce stesse, per le quali un classico modello di “gas grigio”, attualmente usato nella maggior parte delle applicazioni di Fluidodinamica Computazionale (CFD), non è abbastanza accurato per predire le emissioni radiative.