Numerical BOS of Bunsen premixed lean H2-air flame

Hydrogen, a vital element in the pursuit of sustainable energy, remains intricate in its combustion dynamics, unveiling a domain where our understanding, while significant, remains incomplete. This study explores hydrogen combustion through an integrated approach, combining computational fluid dynamics (CFD) modeling with experimental validation techniques. The objective is to develop a CFD flame model coupled with numerical Background-Oriented Schlieren (BOS) technique to both simulate and validate experimental results. Methodologically, a 3D cold simulation model using the SST k-ω turbulence model in FLUENT ANSYS lays the groundwork. Subsequently, an axial symmetrical-2D flame simulation model incorporating Verna's one-step global mechanism and Eddy Dissipation Concept (EDC) is constructed. These models provide essential data for simulating the numerical BOS technique. The numerical BOS simulations yield temperature, density, and refractive index maps, facilitated by the adaptation of Siptkens's ARAP Algorithm. Forward BOS simulations generate displacement maps, which, in turn, serve as input data for Reverse BOS simulations, yielding new parameter maps. Findings indicate that the CFD model could accurately represent experimental results, validating its efficacy in capturing the complexities of hydrogen combustion dynamics. This significance extends to the utility of the CFD model in validating experimental measurements and optimizing experimental setups, thereby reducing uncertainties associated with the techniques employed.

L'idrogeno, un elemento vitale nella ricerca di energia sostenibile, rimane complesso nelle sue dinamiche di combustione, svelando un ambito dove la nostra comprensione, seppur significativa, rimane incompleta. Questo studio esplora la combustione dell'idrogeno attraverso un approccio integrato, combinando la modellizzazione computazionale della dinamica dei fluidi (CFD) con tecniche di validazione sperimentale. L'obiettivo è sviluppare un modello di fiamma CFD accoppiato con la tecnica numerica Background-Oriented Schlieren (BOS) per simulare e convalidare i risultati sperimentali. Metodologicamente, un modello di simulazione a freddo in 3D utilizzando il modello di turbolenza SST k-ω in FLUENT ANSYS costituisce la base. Successivamente, viene costruito un modello di simulazione della fiamma assiale simmetrico-2D incorporando il meccanismo globale a un passo di Verna e il Concetto di Dissipazione degli Eddy (EDC). Questi modelli forniscono dati essenziali per simulare la tecnica numerica BOS. Le simulazioni numeriche BOS producono mappe di temperatura, densità e indice di rifrazione, facilitati dall'adattamento dell'Algoritmo ARAP di Siptkens. Le simulazioni BOS in avanti generano mappe di spostamento, che a loro volta fungono da dati di input per le simulazioni BOS inverse, producendo nuove mappe di parametri. I risultati indicano che il modello CFD potrebbe rappresentare con precisione i risultati sperimentali, convalidando la sua efficacia nel catturare le complessità delle dinamiche di combustione dell'idrogeno. Questa importanza si estende all'utilità del modello CFD per convalidare misurazioni sperimentali ed ottimizzare configurazioni sperimentali, riducendo così le incertezze associate alle tecniche impiegate.