CFD assessment of a flame area combustion model on the Darmstadt TSF burner

Despite the push for renewable energy and the more stringent regulations to control pollutants and emissions, the combustion of fossil fuels will continue in order to meet the rapid growth of the world’s energy demand. Fuels are a powerful and reliable source of energy, but today they must also be sustainable and clean. Hence, novel combustion techniques are required for the mitigation and control of $NO_x$ and $CO_2$ emissions. One way to achieve this is through the use of stratified combustion. This combustion mode has shown promising results in mitigating emissions, decreasing throttling losses, and extending the operational range as is the case in direct-injection engines; thus, more understanding is required. Simulations using CFD analysis are powerful tools that allow combustion systems optimization with rather low costs. The target of this thesis work is to assess the Flame Area model proposed by Weller on controlled combustion conditions, with both stratified and homogeneous premixed fuel-air mixtures. In the context of the one-equation Weller model, several algebraic closure correlations were tested for the flame wrinkling factor, such as Gulder, Peters and Muppala ones, and then compared to the two-equations model version, where a transport equation is instead solved for the flame wrinkling factor. A preliminary assessment of the Coherent Flamelet Model (CFM) was also conducted. The TU-Darmstadt turbulent stratified flame (TSF) burner was selected for these assessments, with the steady-state methane-air flames A-r (premixed stratified) and G-r (premixed homogeneous) as chosen configurations. The intention of this basic analysis is to support turbulent engine combustion simulations, where it is more difficult to clarify the differences between the aforementioned modelling strategies. A general agreement is found between the achieved numerical results with both Weller model versions and the TSF burner experimental measurements, with only a partial agreement when using Muppala correlation. However, concerning this last point, fine-tuning of the main calibration coefficient shows rather promising results and improvements. Moreover, a first attempt to model $NO_x$ of the TSF burner was performed under the adiabatic assumption. Finally, a preliminary assessment of the CFM (Choi-Huh version) was performed; nevertheless, more understanding of this model version is needed in the future.

Nonostante lo slancio verso le energie rinnovabili e le normative sempre più stringenti per controllare l’emissione di inquinanti, i combustibili fossili continueranno ad essere utilizzati per soddisfare la rapida crescita della domanda energetica globale. I combustibili sono una fonte di energia potente e affidabile, ma al giorno d’oggi devono essere soprattutto puliti ed ecosostenibili. Di conseguenza, tecniche di combustione innovative sono necessarie per mitigare e controllare le emissioni di NOx e CO2. Un modo per raggiungere tale obiettivo è attraverso l'uso della combustione stratificata. Questa modalità di combustione ha mostrato risultati promettenti nel’abbattimento delle le emissioni, nella riduzione delle perdite a carico parziale e nell’estensione del campo di utilizzo, come nel caso di motori a iniezione diretta. Una più chiara comprensione di questa modalità di combustione è dunque necessaria. Le simulazioni numeriche condotte per mezzo dell’analisi CFD sono strumenti potenti e relativamente economici per ottimizzare questi sistemi di combustione. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è valutare il modello Flame Area proposto da Weller in condizioni di combustione controllata, con miscela sia stratificata che omogenea. Nel contesto del modello Weller a una equazione, sono state testate diverse correlazioni algebriche di chiusura per il fattore di increspamento della fiamma, come quelle di Gulder, Peters e Muppala, e quindi confrontate con la versione del modello a due equazioni, dove invece viene risolta un'equazione di trasporto per il fattore di increspamento della fiamma. E’ stata condotta anche una valutazione preliminare sul Coherent Flamelet Model (CFM). Per queste valutazioni è stato selezionato il bruciatore a fiamma stratificata turbolenta (TSF) TU-Darmstadt, adottando come configurazioni fiamme metano-aria stazionarie A-r (premiscelate stratificate) e G-r (premiscelate omogenee). Lo scopo di queste analisi di base su fiamma stazionaria è quello di supportare le simulazioni turbolente in camera di combustione, dove risulta difficile distinguere le differenze tra le strategie di modellazione presentate. Si trova una corrispondenza generale tra i risultati numerici raggiunti sia con le versioni del modello Weller che con le misure sperimentali del bruciatore TSF, con una corrispondenza solo parziale quando si utilizza la correlazione Muppala. Tuttavia, riguardo a quest'ultimo punto, un'accurata messa a punto del coefficiente di calibrazione principale mostra risultati e miglioramenti piuttosto promettenti. Inoltre, un primo tentativo per modellare gli NOx del combustore TSF è stato condotto con l’ipotesi di adiabaticità. Infine, è stata eseguita una valutazione preliminare del CFM (versione Choi-Huh); tuttavia, in futuro sarà necessaria una maggiore comprensione di questa versione del modello.