LES analysis of soot formation in perfectly premixed turbulent ethylene-air flames: the effect of equivalence ratio

The control of soot particles formation is one of the major challenges for the design of low-emission gas turbines because of their harmful impact on both the climate and the human health. A deep understanding of the processes that govern soot production and the development of numerical models that allow for their accurate prediction for a limited computational cost are then required. To complete the investigations of soot formation in turbulent flames that exist in literature, a model scale swirled combustor, called EM2Soot, has been developed at the EM2C laboratory to analyze soot production under perfectly premixed rich conditions. This device allows to study soot production over a limited range of parameters (wall temperature, equivalence ratio, flame power) by looking at soot precursors presence, obtained with planar laser induced fluorescence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PLIF-PAH), and of soot volume fraction measured using the laser induced incandescence (LII) technique. By considering different equivalence ratio values, the soot volume fraction presents a maximum close to ϕ = 1.85, whereas a lower amount of soot volume fraction is measured for lower and higher values of equivalence ratio. This trend disagrees with results on laminar flames for which soot volume frac tion level increases with the equivalence ratio. This means that soot production in the EM2Soot burner is the result of complex interactions between flame, turbulent flow, and soot processes. In this framework, state-of-the art numerical models for soot production in LES simulations will be challenged in this work to reproduce the experimental dataset. For this, various simulations were carried out using an analytically-reduced chemistry for the description of the gas phase and a three-equation model for the solid phase description. A good qualitative agreement is found in terms of soot presence. Regarding the quantitative description of the soot volume fraction fv, the simulations largely over estimate the values with respect to the LII measurements, suggesting the need for more accurate models. However, the numerical results correctly capture both the bell-shaped behaviour with richness and the point of maximum soot production at ϕ = 1.85.

Il controllo della formazione di particolato è una delle maggiori sfide per la progettazione di turbine a gas a basse emissioni a causa del loro impatto negativo sia sul clima che sulla salute umana. Sono quindi necessarie una profonda comprensione dei processi che governano la produzione di particolato e lo sviluppo di modelli numerici che ne consentano la previsione accurata a un costo computazionale limitato. Per completare le analisi sulla formazione di particolato in fiamme turbolente presenti in letteratura, è stato sviluppato presso il laboratorio EM2C un combustore a regime turbolento in scala, chiamato EM2Soot. Questo dispositivo consente di studiare in condizioni ricche e di perfetta premiscelazione la dipendenza della produzione di particolato da diversi parametri (temperatura di parete, ricchezza, potenza della fiamma). La presenza di precursori è ottenuta attraverso fluorescenza indotta da laser planare di idrocarburi policiclici aromatici (PLIF-PAH), mentre la frazione volumetrica di particolato (fv) è misurata con l’incandescenza indotta da laser (LII). Considerando valori crescenti del rapporto di equivalenza ϕ, la frazione volumetrica di particolato aumenta fino a raggiungere un massimo intorno a ϕ = 1.85, per poi dimiuire per valori di ricchezza maggiori. Questa tendenza è in contrasto con i risultati delle fiamme laminari, per le quali fv aumenta con il rapporto di equivalenza. Ciò significa che la produzione di particolato nel bruciatore EM2Soot è il risultato di com plesse interazioni tra fiamma, flusso turbolento e processi di produzione del particolato. In questo contesto, i modelli numerici allo stato dell’arte per la produzione di particolato nelle simulazioni LES sono messi alla prova nella presente tesi per riprodurre il set di dati sperimentali. Per fare ciò sono stati utilizzati un modello di chimica analiticamente ridotta per la descrizione della fase gassosa e un modello a tre equazioni per la descrizione della fase solida. Si è riscontrato un buon accordo qualitativo in termini di presenza di particolato. Invece, per quanto riguarda la descrizione quantitativa di fv, le simulazioni sovrastimano ampiamente i valori rispetto alle misure LII, suggerendo la necessità di modelli più accurati. Tuttavia, i risultati numerici catturano correttamente sia il comportamento a campana con l’aumentare della ricchezza sia il punto di massima produzione di particolato a ϕ = 1.85.