Pollutant prediction in numerical simulations of laminar and turbulent flames using virtual chemistry

CFD is nowadays used by research engineers as a numerical tool to design and optimize advanced combustion devices that are employed in energy conversion systems. In the development of advanced numerical CFD tools, one of the main research challenges is the identification of a reduced combustion chemistry model able to find a compromise between accurate reproduction of the flame structure and pollutants formation with an affordable CPU cost. In par- ticular, pollutants formation prediction is a difficult task when complex flame environments are encountered: flame characterized by mixture stratification, heat loss and burnt gas recirculation. The present research work focuses on the modeling of CO and NOx formation in complex flame conditions using a reduced finite rate chemistry approach. CO and NOx reduced chemistry models are here developed using the recent virtual chemistry model; it consists in designing reduced mechanisms made of a network of an optimized number of virtual species interacting through virtual optimized reactions. In the first step, the virtual chemistry mechanisms are developed and validated in 1-D flames comparing the results with detailed chemistry. In a second step, they are employed to compute several 2-D laminar and 3-D turbulent flame configurations which include different combustion regimes: premixed, non-premixed, partially-premixed and non-adiabatic conditions. The obtained results are validated either with experimental data or with detailed chemistry computations.

La CFD è uno strumento utilizzato dai ricercatori come supporto numerico per progettare e ottimizzare avanzati dispositivi di combustione che sono impiegati nei sistemi di conversione dell'energia. In tale contesto, una delle principali sfide della ricerca è l'identificazione di un modello chimico ridotto dedicato alla modellazione della combustione che sia in grado di assicurare un compromesso tra una riproduzione accurata della struttura della fiamma e la predizione della formazione di inquinanti ad un ridotto costo computazionale. In particolare, la predizione della formazione di inquinanti risulta complessa quando sono presenti strutture complesse: fiamma caratterizzata da stratificazione della miscela, perdita di calore e ricircolo dei gas bruciati. Il presente lavoro di ricerca si concentra sulla modellizzazione della formazione di CO e NOx in condizioni di fiamma complessa utilizzando un approccio chimico ridotto a tasso finito. I modelli di chimica ridotta dedicati a CO e NOx sono qui sviluppati utilizzando il recente modello detto della “chimica virtuale”. Esso consiste nella progettazione di meccanismi ridotti costituiti da una rete contenente un numero ottimizzato di specie virtuali che interagiscono attraverso reazioni chimiche virtuali i cui parametri sono ottimizzati. Nella prima fase della tesi, i meccanismi di chimica virtuale vengono sviluppati e validati in fiamme 1-D confrontandoli con risultati ottenuti con chimica dettagliata. In una seconda fase, essi vengono impiegati per calcolare diverse configurazioni di fiamma 2-D laminare e 3-D turbolenta che includono diversi regimi di combustione: premiscelata, non premiscelata, parzialmente premiscelata e non adiabatica. I risultati ottenuti sono di volta in volta validati con dati sperimentali o con calcoli che fanno uso di chimica dettagliata.