Investigation of pressure effects on turbulent flame speed correlations for premixed combustion

Improvement and reliability of renewable power are among the greatest technological challenges of our time in the struggle for a greener and sustainable world. The usage of hydrogen, as a mean to store surplus energy, could be a very effective step in the right direction. At the very core of the issue there is hydrogen combustion and the flame behaviour at relevant gas-turbine conditions. The main purpose of this work is to investigate how well existing correlations are able to capture the effect of pressure on the premixed turbulent flame speed of different fuels (methane, propane, hydrogen and syngases). Turbulent flame speed data from turbulent expanding flames experiments and DNS simulations were used to assess the validity of the different correlations. The analysis proceeded taking into account the effects of the turbulent combustion regimes as they strongly affect the physics of the reacting surface propagation. The correlation of interest was then tuned exploiting the experimental data at atmospheric pressure and a corrected version of it was proposed at the end of the thesis. The revised correlation will help the research speeding up CFD simulations and increasing the understanding of hydrogen combustion at low levels of turbulence and high pressure.

Incrementare l'efficacia e l'affidabilità delle metodologie per la produzione di energia rinnovabile è una delle grandi sfide tecnologiche del nostro tempo nel tentativo di rendere il pianeta più sostenibile e verde. L'utilizzo di idrogeno come mezzo per immagazzinare l'energia prodotta in eccesso potrebbe essere un passo importante verso il raggiungimento di questo traguardo. Al centro del problema si trovano la combustione dell'idrogeno e il comportamento del fronte di fiamma ad alte pressioni. Lo scopo principale di questa tesi è analizzare quanto efficacemente correlazioni già esistenti siano in grado di catturare l'effetto della variazione di pressione sulla velocità di fiamma turbolenta per reagenti premiscelati di diversi combustibili (metano, propano, idrogeno e syngas). Dati empirici di velocità di fiamma turbolenta, disponibili in letteratura e ottenuti da esperimenti su 'turbulent expanding flames' e da simulazioni DNS, sono stati usati per determinare la validità delle correlazioni analizzate. L'analisi procederà considerando gli effetti dei regimi di combustione turbolenta, in quanto essi influenzano fortemente la fisica e la dinamica della propagazione del fronte di fiamma. La correlazione d'interesse verrà successivamente calibrata sfruttando i dati sperimentali ottenuti a pressione atmosferica, ed una nuova formulazione verrà presentata alla fine della trattazione. La correlazione modificata aiuterà la ricerca velocizzando le future simulazioni CFD e aumentando la comprensione del comportamento della fiamma quando alte pressioni sono coinvolte.