Application of detailed chemistry approaches with a semi-global mechanism for soot emissions in non-premixed flames

In this work, the CFD analysis of non-premixed flames is performed. In particular, the focus is to verify if the most adopted semi-empirical soot model proposed by Leung et al. is able to predict the soot formation and destruction processes if coupled with three different combustion models: Representative Interactive Flamelet (RIF) model, Tabulated Representative Interactive Flamelet (TRIF) model and Tabulated Well Mixed (TWM) model. Particular attention was given to the tabulated combustion models, since they are less time-consuming, and this feature is of particular interest for industrial practical applications. The analysis was done using the open-source CFD code OpenFOAM. All the models for combustion and soot were already implemented inside the library Lib-ICE, developed by the Politecnico di Milano ICEGroup. Numerical results were compared to the experimental ones provided by Sandia Laboratories: after a brief validation of the combustion models, a trial-and-error analysis was performed changing the constants of Leung model in order to understand which is the importance of every single soot creation/destruction process and to see if it is possible to get quantitatively a good matching between numerical and experimental results despite the combustion models limits. In the end it was shown that not only the trend but also the amount of soot can be predicted with tabulated models even if it is not clear the behaviour in some oxygen-temperature combinations. To make a more accurate analysis, more experimental data should be available in order to test the reactivity of the soot model with different oxygen-temperature conditions. Another issue is related to the choice of acetylene as unique soot precursor, while nowadays it is well accepted that a key role is played by benzene and other poly-aromatic species.

In questa tesi è stata condotta l'analisi CFD riguardante fiamme non premiscelate. In particolare si è verificata la capacità del modello semi-empirico di Leung et al. di predirre la quantità di soot formato ed ossidato, accoppiandolo con diversi modelli di combustione: modello Representative Interactive Flamelet (RIF), modello Tabulated Representative Interactive Flamelet (TRIF) e modello Tabulated Well Mixed (TWM). Si è deciso di dedicare particolare attenzione ai modelli di combustione tabulati dato che consentono una riduzione dei tempi di calcolo, molto utile in ambito industriale. L'analisi è stata realizzata usando il software CFD open-source OpenFOAM. Tutti i modelli di combustione e soot sono implementati all'interno della libreria Lib-ICE, interamente sviluppata dall'ICEGroup del Politecnico di Milano. I risultati numerici ottenuti sono stati confrontati con quelli forniti dai Laboratori Sandia: dopo una breve validazione dei modelli di combustione, è stata condotta un'analisi trial-and-error modificando le costanti del modello di Leung per capire l'importanza dei singoli processi di creazione e distruzione del soot e vedere quanto è possibile avvicinare i risultati numerici e sperimentali ovviando ai limiti dei modelli di combustione. I risultati hanno dimostrato che è possibile riprodurre in maniera piuttosto soddisfacente il comportamento del soot usando i modelli tabulati. Tuttavia in particolari condizioni di ossigeno e temperatura i modelli disponibili hanno evidenziato alcune lacune. Per fare un'analisi più dettagliata sarebbero necessari dati in altre condizioni di temperatura e ossigeno per testare la reattività dei vari modelli. Un altro possibile punto di partenza per eventuali lavori futuri può consistere nel capire se l'utilizzo di acetilene come unico precursore del soot sia corretto: recenti studi ad esempio suggeriscono che l'utilizzo del benzene potrebbe essere più appropriato.