Acceleration by the ARC approach of reactive flow simulations in CFD aerospace applications

The industrial community has recently risen the interest in the devel- opment and optimization of fast and reliable algorithms for Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations. This work investigates the use of the Analitically Reduced Chemistry (ARC) approach to quickly solve reactive flow problems in the Aerospace field while preserving an acceptable accuracy of the results. The Quasi-Steady State (QSS) approximation treats the species with the smallest life- time and concentration as steady state. The selection of the QSS species is done by means of a sensitivity coefficient, via the Level of Importance (LOI) approach, so as to include in the QSS-list the species with long lifetime but small sensitivity. An algebraic system of equations updates the concentration of the QSS species reducing the cost of ODE integration. That also helps to reduce the stiffness of the chemical ODE system, promoting an acceleration in its solution. The use of an elimination method (DAC) further accelerates the detailed-chemistry simulations. Testing is performed on two cases. Simulations are conducted via the CFD soft- ware OpenFOAMà. Two combustion models are accounted: the Eddy Dissipation Concept (EDC) and the Partially Stirred Reactor (PaSR). Solutions are validated against experimental results available in the literature.

La comunità industriale ha accresciuto recentemente l’interesse nell’implementazione e nell’ottimizzazione degli algoritmi per la Fluidodinamica Computazionale (CFD). Questo elaborato investiga l’uso dell’approccio Ana- litically Reduced Chemistry (ARC) per trovare una soluzione rapida ai problemi con fluidi reattivi in casi Aerospaziali, preservando un’accuratezza accettabile dei risultati. L’approssimazione Quasi-Steady State (QSS) è stata implementata e testata per trattare le specie con un basso ciclo vita e concentrazioni come steady state. Le specie QSS sono state selezionate anche grazie ad un coefficiente di sensibilità secondo un approccio chiam- ato Level of Importance (LOI), per poi includere nella lista QSS le specie con un lungo ciclo vita ma bassa sensibilità. Un sistema algebrico di equazioni aggiorna la concentrazione delle specie QSS riducendo il costo dell’integrazione delle ODE. Questo aiuta a ridurre la stiffness del sistema del sistema di ODE della chimica, promuovendo un’accelerazione della sua soluzione. L’uso del metodo di eliminazione (DAC) accelera maggior- mente le simulazioni dei meccanismi chimici. La validazione è stata effettuata su due casi. Le simulazioni sono state condotte tramite il software CFD OpenFOAMà. Sono stati considerati due modelli di combustione: l’Eddy Dissipation Concept (EDC) e il Partially Stirred Reactor (PaSR). Le soluzioni sono state validate con i risultati sperimentali presenti in letteratura.