CANTERA simulations of water laden methane air non premixed counterflow flames

Methane (CH4) is a natural gas that is recognized as the most important clean burning fuel for a future where low carbon and energy sources are more common. Clathrates are very much tied to the environment: the main factors that control their formation and stability are temperature, pressure, availability of sufficient quantities of water and methane, geochemistry and type of sediment; the recent discoveries of methane hydrates in arctic and deep-water marine environment have highlighted the need for a further understanding of this substance as a natural storehouse of carbon and a potential energy resource. The aim of this thesis is to better understand, through numerical simulations, the combustion processes that govern the burning of methane hydrates at atmospheric pressure. In particular, flame temperature and flammability limits (i.e., the maximum amount of water that can be added before the flame can no longer burn) are explored along with an analysis of what causes the transition to extinguishment in a water-laden methane/air diffusion flame. In order to analyze this combustion process, an open source chemical kinetics program (CANTERA) has been used; it simulates combustion in an opposed flow configuration, where air is introduced on one side and a preheated mixture of water vapor/methane is on the other. The validation of the numerical model has been performed by comparing numerical results to experimental results; these comparisons show that, taking into account the simplifying hypothesis (mono dimensionality and absence of heat losses) introduced in the model, results agree well with the literature.

Il metano (CH4) è un gas naturale considerato il più importante combustibile non inquinante per un futuro in cui tenderanno a svilupparsi risorse energetiche a basso contenuto di carbonio. I clatrati sono strettamente correlati all'ambiente circostante: i principali fattori che controllano la loro formazione e stabilità sono temperatura, pressione, presenza delle giuste quantità di metano e acqua, geochimica e natura dei sedimenti; recenti scoperte riguardanti la presenza di idrati di metano nelle zone artiche e nelle profondità degli oceani hanno sottolineato la necessità di studiare in maniera più approfondita questi composti, in quanto essi rappresentano una potenziale risorsa di energia. Lo scopo di questa tesi è di identificare, attraverso simulazioni numeriche, i processi che governano la combustione degli idrati di metano in condizioni di pressione atmosferica. In particolare, vengono analizzati la temperatura di fiamma e i limiti di infiammabilità (cioè la massima quantità di acqua che può essere aggiunta prima che la fiamma non possa più bruciare), corredati da una dettagliata descrizione delle cause che comportano l'estinzione di fiamme diffusive per miscele di aria/metano ad elevato contenuto di acqua. Al fine di analizzare il processo di combustione proprio degli idrati di metano, è stato utilizzato un programma open source di cinetica chimica (CANTERA); esso simula la combustione in una configurazione a flussi opposti, in cui viene introdotta aria da un lato e una miscela pre riscaldata di vapor d'acqua e metano dall'altro. La validazione del modello numerico è stata effettuata confrontando i risultati delle simulazioni numeriche con quelli sperimentali; da tale analisi risulta che, tenendo conto delle ipotesi semplificative (mono dimensionalità e assenza di perdite di calore) introdotte nel modello numerico, i risultati ottenuti presentano una ottima concordanza con la letteratura.