CFD modelling of a laboratory-scale multiphase MILD burner with detailed kinetics

MILD technology allows to greatly reduce the emissions of atmospheric pollutants produced by a combustion, by making use of a strong preheating of air and an intense recirculation of exhaust gases. The costs in terms of time and money related to the experimental investigation of MILD combustion are reduced by CFD simulations. In fact, a CFD model is able to reproduce the results of an experimental test without actually carrying out it or, vice versa, allows to perform simulations whose results are the starting point for new experiments. Scientific literature contains many works on CFD modelling of MILD combustion operated with gaseous fuels, while the same does not apply for the use of liquid fuels. This is a limit because a large number of commonly used fuels are available in liquid state. Modelling a MILD combustion in these conditions, however, is rather complex. Three variables are introduced, which are often not present with gaseous fuels: chemical complexity, atomisation and vaporisation. Fuels liquid at ambient conditions are often molecules composed by a high number of atoms: when they are burnt, they often follow a complex reaction mechanism, which must be modelled using sufficiently detailed kinetic schemes and implemented in the CFD code. Since combustion occurs in vapour phase, a liquid fuel must be sprayed inside the burner to increase its surface area and then favour its vaporisation; therefore, also these two operations have to be described. The objective of this work is therefore the CFD modelling of a process of combustion of liquid heptane using detailed kinetics, occurring inside a laboratory-scale burner operating in MILD conditions.

La tecnologia MILD è in grado di ridurre grandemente le emissioni di inquinanti atmosferici prodotti da una combustione, tramite un forte preriscaldamento dell’aria e un intenso ricircolo di gas combusti. I costi in termini di tempo e denaro legati all’indagine sperimentale di tale tipo di combustione possono essere ridotti grazie alle simulazioni CFD. Infatti, un modello CFD è in grado di riprodurre i risultati di una prova sperimentale senza la necessità di eseguirla o, viceversa, permette di condurre simulazioni i cui risultati possono essere usati come punto di partenza per nuovi esperimenti. La letteratura scientifica è prolifica per quanto riguarda la modellazione CFD di combustioni MILD con combustibili gassosi, mentre non vale lo stesso per i combustibili liquidi. Ciò è un limite, poiché un gran numero di combustibili di uso comune sono disponibili allo stato liquido. Modellare una combustione MILD in queste condizioni tuttavia è piuttosto complesso. Vengono introdotte tre variabili che spesso non sono presenti con i combustibili gassosi: la complessità chimica, l’atomizzazione e la vaporizzazione. I combustibili liquidi in condizioni ambiente sono spesso molecole composte da un altro numero di atomi: quando vengono bruciate, spesso seguono un meccanismo di reazione complesso, che deve essere modellato usando un opportuno schema cinetico dettagliato e implementato nel codice CFD. Siccome la combustione avviene in fase vapore, un combustibile liquido deve essere spruzzato nel bruciatore affinché la sua vaporizzazione venga facilitata; perciò anche queste due operazioni devono essere descritte. L’obiettivo di questa tesi è perciò la modellazione CFD di un processo di combustione di eptano liquido, che avviene in un bruciatore in scala di laboratorio operante in condizioni MILD, usando una cinetica dettagliata.