Investigation of premixed turbulent flame dynamics by means of LES with stochastic fields and tabulated chemistry

In the framework of this study, an Eulerian Stochastic Fields method (SF) in combination with the Progress Variable approach (PV) is used for large eddy simulation (LES) of the turbulent premixed flames. This method is capable of modeling the turbulence-chemistry interaction at low computational efforts while adopting the detailed chemical mechanisms for the generation of the chemical database. Time-averaged simulation data are used to identify flow physics of the backward facing step (BFS) stabilized flame and bluff-body swirl stabilized flame for various power ratings. The flame dynamics of the bluff-body swirl stabilized flame in terms of dynamic flame response (flame transfer function) is also investigated by using system identification method (SI) combined with LES for various power ratings. The LES simulation results validated against experimental measurements which proves that this model is capable of identifying both flow physics and dynamic behavior of premixed flames.

In questo lavoro viene analizzato il comportamento di fiamme turbolente premiscelate mediante simulazioni numeriche di tipo Large Eddy Simulations (LES) in combinazione con il metodo “Eulerian Stochastic Fields” (SF) e un modello di combustione basato sul concetto di Progress Variable (PV). Il metodo proposto è in grado di modellare l’interazione tra chimica e turbolenza con un ridotto sforzo computazionale pur adottando un modello cinetico dettagliato per la generazione del database chimico. Il metodo è stato applicato per l’analisi sia di una fiamma stabilizzata mediante “backward facing step” (BFS) che di una fiamma stabilizzata mediante moto di swirl. I risultati numerici hanno permesso di caratterizzare al variare della potenza termica la struttura del campo di moto medio per le due diverse configurazioni. Il comportamento dinamico della fiamma a swirl è stato analizzato in termini della cosiddetta “flame transfer function”. Quest’ultima è stata determinata applicando ai risultati delle simulazioni LES le tecniche di identificazione dei sistemi. Un confronto con dati sperimentali ha evidenziato la capacità del metodo utilizzato di riprodurre in modo adeguato sia la struttura del campo di moto medio che la risposta dinamica della fiamme premiscelata.