Automatic data management and model validation of ammonia-hydrogen and methane-hydrogen mixture combustion through the framework SciExpeM

Both methane-hydrogen and ammonia-hydrogen mixtures are fuels with a great potential for future applications in the combustion field as, for instance, in the transports sector, considering the decarbonization pathway that, nowadays, has been globally undertaken. Therefore, the kinetic modelling research field has assumed a key role in the development of devices that exploit these fuels, thus guiding scientific community to further improve the process to obtain reliable and predictive models. This thesis has the purpose to present a comprehensive model assessment on the above mixtures, by systematically streamlining and automating, together with an analysis procedure, the entire process of kinetic model validation. Such assessment and analysis are performed using a “data ecosystem” concept implemented in a framework named “SciExpeM” developed at POLIMI. The objectives of such a framework are multiple: 1) reducing the time effort of a comprehensive validation usually performed by a manual comparison with many data targets and without an objective criterion, often constituting a bottleneck for the entire model development process; 2) eliminating the intrinsic subjectivity that also characterize this step, since it is based on a visual comparison among experimental data and the model, by exploiting ad-hoc statistical tools. This framework can handle several steps of this process such as the data management, thus the assessment of the quality and reliability of the collected experiments, and the model analysis, a series of important numerical indicators capable of providing an objective method to provide useful information to improve the model itself. In this thesis a database containing various types of experiments, mostly focused on laminar flame speed and ignition delay times measurements of the mixtures studied, has been collected. Then, different available mechanisms from literature have been compared with the experimental targets, showing the potentialities of a data ecosystem as “SciExpeM”. Lastly, some of the main characteristics of flame propagation and ignition propensity of innovative carbon neutral fuels (H2, NH3) and of their mixtures with natural gas have been analysed.

Sia le miscele di metano e idrogeno che quelle di ammoniaca e idrogeno sono combustibili con un gran potenziale per future applicazioni nel campo della combustione come, per esempio, nel settore dei trasporti, considerando anche il trend attuale che prevede una decarbonizzazione globale da qui ai prossimi anni. Pertanto, il campo di ricerca incentrato sulla modellazione cinetica ha assunto un ruolo chiave nello sviluppo di dispositivi in grado di sfruttare tali combustibili, guidando, perciò, la comunità scientifica a ricercare un miglioramento dell’intero processo al fine di ottenere modelli affidabili e con ottime capacità predittive. Questa tesi ha l’obiettivo di presentare una validazione globale di un modello per le miscele sopracitate. Razionalizzando e automatizzando in maniera sistematica insieme ad una procedura di analisi l’intero processor di validazione di un meccanismo cinetico. Tali validazione e analisi sono eseguite utilizzando il concetto di “ecosistema di dati” implementato in un framework denominato “SciExpeM”, sviluppata al Politecnico di Milano. Gli obiettivi principali di tale apparato sono: 1) la riduzione dello sforzo, in termini di tempo impiegato, per una validazione complessiva contro un elevato numero di dati sperimentali, eseguita solitamente in maniera manuale e senza un criterio oggettivo, che spesso costituisce un collo di bottiglia per l’intero processo di sviluppo del modello; 2) l’eliminazione della soggettività intrinseca che caratterizza tale step in quanto basato sul confronto visivo tra dati sperimentali e modello, attraverso l’impiego di strumenti statistici sviluppati ad-hoc. Questa struttura può gestire diversi step di questo processo come ad esempio la gestione dei dati, e quindi la valutazione della qualità e affidabilità degli esperimenti raccolti, l’analisi del modello, costituita da una serie di indicatori numerici capaci di fornire un metodo oggettivo per fornire informazioni utili al miglioramento del modello stesso. Nella tesi è stato arricchito il database con diverse tipologie di dati sperimentali, la maggior parte dei quali relativi a velocità laminari di fiamma e tempi di ignizione per le miscele studiate. In seguito sono stati comparati diversi meccanismi di letteratura con i target a disposizione, evidenziando alcune delle potenzialità di un ecosistema di dati come “SciExpeM”. Sono quindi state analizzate alcune delle principali caratteristiche alla base della propagazione di fiamma e dell’ignizione di nuovi combustibili ecosostenibili (H2/NH3) e delle loro miscele con gas naturale.