Implementation of the thickened flame model for turbulent premixed and non-premixed combustion in OpenFOAM

The main objective of this research work is the development and implementation of a comprehensive CFD combustion model in an open-source CFD framework. The the Artificially Thickened Flame model (ATF) or also known as the Thickened Flame Large Eddy Simulation model (TFLES) is suitable for the resolution of the flame and flame/turbulence interactions on a standard large eddy simulation grid. This requires the turbulent combustion modeling to be accurately modelled such that the turbulence/chemistry interaction present inside the combustion chamber from experimental applications and Direct Numerical Simulations (DNS) will be captured by the implemented combustion model. The implementation of the ATF combustion model required the analysis of one dimensional laminar flame propagation simulations to investigate the laminar flame properties and validate them against experimental results. Simple one dimensional laminar flame propagation tests were performed on the shockTube in order to validate the implemented ATF model. From a CFD perspective these simulations were also conducted to gather information related to the modeling constants involved in the ATF model such as the thickening factor F, to be selected based on the number of grid points chosen to resolve the flame and the flame sensor. Simple one dimensional laminar flame propagation tests were performed on the shockTube test case in order to implement and validate the implementation of the flame sensor as well as the choice of the flame sensor based on the progress variable transport. The validation of the ATF combustion model was completed on two separate cases a.) The static ATF turbulent bunsen flame b.) The dynamic ATF shock tube. The the static ATF model in which the entire computational domain is affected by the thickening of the flame front. This was then followed by the dynamic implementation of the ATF combustion model which relies on the flame sensor to locally thickening the flame in specific regions of the computational grid. The second validation case involved the change of chemistry model such that a multiple reaction mechanisim can be implemented and that intermediate chemical species can also be tracked with the same accuracy of the single step reaction mechanisim. The final objective is the use of the developed model on a more complex industrial test case. From the results obtained in this work, the ATF (TFLES) model is a suitable candidate to handle the reactive flow simulations of the Hydrogen Low Oxygen (HYLON). For the industrial configuration, experimental results were made available by a research group of the TNF workshop. This work includes preliminary non-reactive solutions of the HYLON burner required to investigate the mixing occurring in the combustion chamber prior to combustion ignition. The cold flow numerical results are compared against experimental solutions. Due to the computational cost and extent of the numerical simulations of the HYLON configuration, reactive simulations are not included in this work.

L'obiettivo principale di questo lavoro di ricerca è lo sviluppo e l'implementazione di un modello di combustione CFD completo in un framework CFD open source. Il modello di fiamma ispessita artificialmente (ATF) o anche noto come modello di simulazione di vortici di grandi vortici di fiamma ispessita (TFLES) è adatto per la risoluzione delle interazioni fiamma e fiamma/turbolenza su una griglia di simulazione standard di grandi vortici. Ciò richiede che il modello di combustione turbolenta sia modellato accuratamente in modo tale che l'interazione turbolenza/chimica presente all'interno della camera di combustione da applicazioni sperimentali e simulazioni numeriche dirette (DNS) venga catturata dal modello di combustione implementato. L'implementazione del modello di combustione ATF ha richiesto l'analisi di simulazioni di propagazione laminare della fiamma unidimensionali per studiare le proprietà della fiamma laminare e convalidarle rispetto ai risultati sperimentali. Dal punto di vista CFD queste simulazioni sono state condotte anche per raccogliere informazioni relative alle costanti di modellazione coinvolte nel modello ATF come il fattore di ispessimento F, da selezionare in base al numero di punti della griglia scelti per risolvere la fiamma e il sensore di fiamma. Sono stati eseguiti semplici test di propagazione laminare della fiamma unidimensionali sul caso di prova shockTube al fine di implementare e convalidare l'implementazione del sensore di fiamma nonché la scelta del sensore di fiamma in base al trasporto della variabile di avanzamento. La validazione del modello di combustione ATF è stata completata su due casi separati a.) La fiamma Bunsen turbolenta ATF statica b.) Il tubo d'urto ATF dinamico. Il modello ATF statico in cui l'intero dominio computazionale è interessato dall'ispessimento del fronte di fiamma. A ciò è seguita poi l'implementazione dinamica del modello di combustione ATF che si basa sul sensore di fiamma per addensare localmente la fiamma in regioni specifiche della griglia computazionale. Il secondo caso di validazione ha coinvolto il cambiamento del modello chimico in modo tale da poter implementare un meccanismo di reazione multipla e che anche le specie chimiche intermedie possano essere tracciate con la stessa precisione del meccanismo di reazione a fase singola. L'obiettivo finale è l'utilizzo del modello sviluppato su un caso di test industriale più complesso. Dai risultati ottenuti in questo lavoro, il modello ATF (TFLES) è un candidato adatto per gestire le simulazioni del flusso reattivo dell'idrogeno a basso contenuto di ossigeno (HYLON). Per la configurazione industriale i risultati sperimentali sono stati resi disponibili da un gruppo di ricerca del laboratorio TNF. Questo lavoro include soluzioni preliminari non reattive del bruciatore HYLON necessarie per studiare la miscelazione che avviene nella camera di combustione prima dell'accensione della combustione. I risultati numerici del flusso freddo vengono confrontati con soluzioni sperimentali. A causa del costo computazionale e dell’entità delle simulazioni numeriche della configurazione HYLON, le simulazioni reattive non sono incluse in questo lavoro.