Simplified kinetic models for methane/air combustion

The use of detailed kinetic mechanisms for complex combustion simulations is computationally prohibitive, even with the technological tools of today. In order to face this challenge, this thesis presents a general methodology for the development of highly simplified kinetic models, with the aim of addressing the high computational cost associated with detailed kinetic mechanisms, especially in multidimensional CFD simulations. In particular, the thesis focuses on the simulation of methane combustion, one of the most important fuels and the main component of natural gas, with paramount importance in the field of energy production, especially in the context of energy transition. The work begins with a review of existing kinetic mechanisms, comparing them both in terms of results and computational demands. Using a detailed mechanism for reference, a state-of-the-art reduced mechanism is validated across a broad range of applications, focusing on key parameters such as laminar flame speed and ignition delay time. Then, using the OptiSMOKE++ toolbox, the present thesis delivers a selection of simplified mechanisms from literature, specifically for laminar flame speed and ignition delay time applications. These optimized models are then validated by comparing the associated results both with the aforementioned detailed and reduced mechanisms and experimental data. The optimized model for flame simulations is further benchmarked in a variety of applications, including a multidimensional CFD simulation of a coflow diffusion flame. Results indicate that the newly developed optimized mechanisms achieve reasonable outcomes, with a good compromise between computational efficiency and accuracy, closely with reference results while drastically reducing the computational time required.

L'utilizzo di meccanismi cinetici dettagliati per simulazioni complesse di fenomeni di combustione è computazionalmente proibitivo, anche con i mezzi tecnologici odierni. Per affrontare questo problema, la tesi presenta una metodologia generale per lo sviluppo di modelli cinetici altamente semplificati, con lo scopo di far fronte all'elevato costo computazionale associato ai meccanismi cinetici dettagliati, specialmente in simulazioni CFD multidimensionali. In particolare, la tesi si concentra sulla simulazione della combustione del metano, uno dei carburanti più rilevanti e principale componente del gas naturale, di grande importanza nel campo della produzione di energia, specialmente nel contesto della transizione energetica. La tesi inizia con l'analisi di alcuni meccanismi esistenti, confrontandoli sia in termini di risultati che di requisiti computazionali. Utilizzando un meccanismo dettagliato come riferimento, un meccanismo ridotto allo stato dell'arte viene validato su un'ampia gamma di applicazioni, ponendo l'attenzione su parametri chiave come la velocità laminare di fiamma e il tempo di ignizione. Successivamente, con l'utilizzo di OptiSMOKE++, vengono sviluppati modelli ottimizzati a partire da una selezione di meccanismi semplificati presenti in letteratura, specificamente per applicazioni legate alla velocità laminare di fiamma e al tempo di ignizione. Questi modelli ottimizzati vengono poi validati attraverso un confronto sia con i meccanismi sopra menzionati che con dati sperimentali. Il modello ottimizzato per fiamme è poi validato in varie applicazioni, inclusa una simulazione CFD multidimensionale di una fiamma diffusiva. I risultati indicano che i meccanismi ottimizzati sviluppati raggiungono un buon compromesso tra efficienza computazionale e accuratezza, avvicinandosi ai risultati attesi pur richiedendo tempi computazionali ridotti.