CFD analysis of wood stove using OpenFoam v8

Residential wood combustion is a crucial renewable energy source for space heating, yet it remains a major contributor to harmful air pollutant emissions. While Computational Fluid Dynamics (CFD) can significantly support the design and optimization of low-emission appliances, its application to solid biomass combustion is often limited by high computational costs and complex modeling requirements. In most conventional CFD studies, wood logs are simplified as emitting boundary surfaces, neglecting the internal thermo-chemical dynamics. This thesis explores a more advanced modeling approach by simulating wood-log combustion within a commercial domestic closed fireplace using the open-source software OpenFOAM v8. Employing the recent custom porousGasificationFoam solver, the wood log is modeled as a reactive porous media that continuously interacts with the surrounding gas phase. All the available documentation on this solver covers only simple tutorials, whilst no system-level simulation of combustion system is present. The numerical framework integrates a multi-step pyrolysis mechanism for beech wood alongside homogeneous volatile combustion and heterogeneous char oxidation. Furthermore, the model strictly couples these reactions with fluid dynamics and heat transfer, featuring a modified P1 radiation model tailored for porous media interactions. The computational domain represents a commercial stove previously tested during an experimental campaign at the LEAP laboratory. Even though the initial goal of this thesis was to develop and validate an advanced tool, given the extreme computational demands and the severe numerical stiffness of the chemical kinetics, the current study focuses on the setup of this advanced solver to system-level simulations. To achieve convergence the kinetic parameters of the most aggressive reactions have been tuned, and numerical tolerance have been relaxed beyond standard values. The time simulated is in the order of seconds, which is a small portion compared to the duration of full combustion cycles. Ultimately, this work assesses the feasibility, physical accuracy, and current limitations of applying a fully coupled porous media combustion solver to domestic heating appliances, establishing a solid baseline for future optimizations.

La combustione domestica a legna è una fonte di energia rinnovabile fondamentale per il riscaldamento degli ambienti, ma costituisce ancora una delle principali cause di emissione di inquinanti atmosferici nocivi. Sebbene la fluidodinamica computazionale (CFD) offra un supporto essenziale per la progettazione e l’ottimizzazione di apparecchi a basse emissioni, la sua applicazione alla combustione di biomasse solide è spesso limitata dagli elevati costi computazionali e dalla complessità dei modelli. Di conseguenza, nella maggior parte degli studi CFD convenzionali i ceppi di legna vengono semplificati come mere superfici emittenti, trascurando le dinamiche termo-chimiche interne. Questa tesi esplora un approccio di modellazione più avanzato, simulando la combustione di ceppi di legno all’interno di un focolare chiuso commerciale per uso domestico, avvalendosi del software open-source OpenFOAM v8. Impiegando il recente solutore personalizzato porousGasificationFoam, il legno viene modellato come un mezzo poroso reattivo in continua interazione con la fase gassosa circostante. Tutta la documentazione attualmente disponibile su questo solutore copre esclusivamente casi studio semplificati, mentre è del tutto assente l’applicazione a livello complessivo di un intero dispositivo di combustione. Il framework numerico integra un meccanismo di pirolisi multi-stadio per il faggio, associato alla combustione omogenea dei gas volatili e alle reazioni eterogenee del char. Inoltre, il modello accoppia rigorosamente tali reazioni con la fluidodinamica e lo scambio termico, implementando un modello di radiazione P1 modificato per tenere conto delle interazioni all’interno della matrice porosa. Il dominio computazionale riproduce una stufa commerciale, precedentemente testata nel corso di una campagna sperimentale presso il laboratorio LEAP. Sebbene l’obiettivo iniziale della tesi fosse lo sviluppo e la validazione di uno strumento avanzato, a causa dell’estremo onere computazionale e della forte rigidezza numerica (stiffness) introdotta dalla cinetica chimica, il presente studio si è concentrato sull’adattamento e sulla configurazione di questo solutore per simulazioni avanzate. Per raggiungere la convergenza, è stato necessario calibrare i parametri cinetici delle reazioni più aggressive e allentare le tolleranze numeriche oltre i valori standard. Il tempo fisico simulato è nell’ordine dei secondi, rappresentando solo una frazione minima rispetto alla durata di un intero ciclo di combustione. In conclusione, questo lavoro valuta la fattibilità, l’accuratezza fisica e i limiti attuali legati all’impiego di un solutore per mezzi porosi reattivi nello studio di dispositivi di riscaldamento domestico, stabilendo un solido punto di partenza per le ottimizzazioni future.