Advanced

Detailed Numerical Simulations of Turbulent Premixed Flames at Moderate and High Karlovitz Numbers

Carlsson, Henning LU (2014)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Förblandad förbränning har sedan lång tid tillbaka varit en av grundbultarna i industriellt applicerad förbränning såsom i bensinmotorer och gasturbiner. Genom att direkt kunna kontrollera blandningsförhållandet mellan bränsle och luft kan utsläppen av skadliga ämnen hållas på en minimal nivå. Detta gör förblandad förbränning mycket attraktiv. För att industriellt applicerad förblandad förbränning ska kunna ge en signifikant effekt är det viktigt att förbränningen sker tillräcklig snabbt och därför används nästan alltid en turbulent omgivning, till exempel, i en bensinmotor måste allt bränsle brinna upp innan avgaserna trycks ut ur cylindern. För att på samma gång uppnå hög effekt, hög... (More)
Popular Abstract in Swedish

Förblandad förbränning har sedan lång tid tillbaka varit en av grundbultarna i industriellt applicerad förbränning såsom i bensinmotorer och gasturbiner. Genom att direkt kunna kontrollera blandningsförhållandet mellan bränsle och luft kan utsläppen av skadliga ämnen hållas på en minimal nivå. Detta gör förblandad förbränning mycket attraktiv. För att industriellt applicerad förblandad förbränning ska kunna ge en signifikant effekt är det viktigt att förbränningen sker tillräcklig snabbt och därför används nästan alltid en turbulent omgivning, till exempel, i en bensinmotor måste allt bränsle brinna upp innan avgaserna trycks ut ur cylindern. För att på samma gång uppnå hög effekt, hög verkningsgrad och låga emissioner finns det en trend i industriella applikationer att gå mot allt magrare blandningsförhållanden och mer högintensiv turbulens. Växelverkan mellan flamma och turbulens vid dessa förhållanden är dock inte välförstådd och få numeriska modeller är utvecklade för att hantera denna typ av förbränning.

I denna avhandling används detaljerade numeriska simuleringar för att undersöka växelverkan mellan förblandade flammor och turbulens vid måttliga och höga turbulenta intensiteter. Direkt numerisk simulering (DNS) används för att studera grundläggande fysikaliska fenomen i högintensiva turbulenta flammor där samtliga skalor i både turbulens och detaljerad kemi är inkluderade med minimal modellering. Simuleringarna visar att på grund av ökad turbulent transport ökas mängden radikaler i lågtemperaturzonen i flamman, vilket i sin tur kan ge upphov till hög värmefrigörelse även vid låga temperaturer. Detta har aldrig påvisats vid låga turbulenta intensiteter. I och med att dessa fenomen uppstår från den komplicerade kemin som är involverad i förbränningsprocessen visar resultaten också att konventionell klassificering av turbulenta förblandade flammor inte kan förklara skillnaderna i radikallagrens växelverkan med turbulens mellan två studerade flammor. Ett nytt dimensionslöst tal definierades därför för att kunna ta effekter från detaljerad kemi i beaktande.

För studier av växelverkan mellan flamma och turbulens vid måttliga turbulenta intensiteter användes metoden large eddy simulation (LES) med en förbränningsmodell baserad på G-ekvationen. Denna förbränningsmodell är väl testad för mycket låga turbulenta intensiteter där turbulent transport inuti flamman är försumbar och i denna avhandling testades modellen för något högre turbulenta intensiteter. En experimentell brännare med tillgång på valideringsdata användes som testfall och med en dynamisk implementering av den lokala skrynklingen av flamman i förbrännings-modellen uppvisade den mycket god jämförelse med den experimentella datan även vid relativt höga Reynolds tal. Modellen användes sedan för att studera växelverkan mellan flamma och frekvensspecifika koherenta strukturer där en vidareutvecklad version av dynamisk moduppdelning kunde hjälpa förståelsen för flammans stabiliseringsmekanism i den experimentella brännaren. (Less)
Abstract
In generally accepted and applied flamelet combustion models, a turbulent flame is mainly assumed distorted by the large-scale turbulence eddies, whereas small-scale turbulence effects on the local flamelet structures are neglected. However, in a lot of industrial applications rather high turbulent intensities are often imposed, which induce turbulence scales at ranges smaller than the flame thickness. Flame/turbulence interaction appears quite different at these small scales, which is why improvement of the combustion models is required to account for these phenomena.

In this thesis, direct numerical simulations (DNS) and large eddy simulations (LES) have been utilized for studies of lean premixed turbulent reactive flows at... (More)
In generally accepted and applied flamelet combustion models, a turbulent flame is mainly assumed distorted by the large-scale turbulence eddies, whereas small-scale turbulence effects on the local flamelet structures are neglected. However, in a lot of industrial applications rather high turbulent intensities are often imposed, which induce turbulence scales at ranges smaller than the flame thickness. Flame/turbulence interaction appears quite different at these small scales, which is why improvement of the combustion models is required to account for these phenomena.

In this thesis, direct numerical simulations (DNS) and large eddy simulations (LES) have been utilized for studies of lean premixed turbulent reactive flows at various turbulent intensities. DNS has been applied for detailed studies of flame-turbulence interaction to investigate flame structures and detailed chemistry effects at high Karlovitz numbers. Intensified convective-diffusive transport within the fine reaction zone layers is observed which is found to significantly alter the chemical pathway with, e.g., intensified heat release rate at low temperatures. Based on these observations a categorization, supplementary to the conventional one, is proposed, which is able to incorporate detailed chemistry effects into the classification of turbulent premixed flames at high Karlovitz numbers. The effect of differential diffusion was found significant, both globally (in terms of the fuel diffusion effect) and locally (in terms of the radical diffusion effect), also in the distributed reaction zone regime.

LES was employed for a low swirl stabilized flame utilizing a flamelet combustion model approach. A dynamic modeling approach to incorporate sensitivity to local variations in the subgrid scale flame wrinkling was implemented and validated. The simulations showed high sensitivity of the prediction of turbulent flame fluctuations as well as ambient air entrainment rate into burned gases to inflow conditions and operating conditions. Lower sensitivity was found to domain size and combustion model. Overall the model results showed good agreement with the velocity and scalar validation data in the thin reaction zone regime. In order to analyze the influence of frequency specific coherent structures on the flame dynamics extended dynamic mode decomposition was performed which was able to delineate the effects of the inner and outer shear layer vorticity on the flame stabilization. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Chen, Jacqueline, Combustion Research Facility, Sandia National Laboratories, Livermore, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Direct numerical simulation, Large eddy simulation, Turbulent premixed combustion, Flow-flame interaction, High Karlovitz number
pages
69 pages
defense location
Lecture hall MA1, Annexet, Sölvegatan 20, Lund University, Faculty of Engineering, LTH
defense date
2014-12-05 10:15
ISBN
978-91-7623-170-8
language
English
LU publication?
yes
id
dbfe33fd-5e9f-4fc6-a9c5-bbf0db2b5a17 (old id 4732484)
date added to LUP
2014-11-10 10:45:07
date last changed
2016-09-19 08:45:16
@misc{dbfe33fd-5e9f-4fc6-a9c5-bbf0db2b5a17,
  abstract     = {In generally accepted and applied flamelet combustion models, a turbulent flame is mainly assumed distorted by the large-scale turbulence eddies, whereas small-scale turbulence effects on the local flamelet structures are neglected. However, in a lot of industrial applications rather high turbulent intensities are often imposed, which induce turbulence scales at ranges smaller than the flame thickness. Flame/turbulence interaction appears quite different at these small scales, which is why improvement of the combustion models is required to account for these phenomena.<br/><br>
In this thesis, direct numerical simulations (DNS) and large eddy simulations (LES) have been utilized for studies of lean premixed turbulent reactive flows at various turbulent intensities. DNS has been applied for detailed studies of flame-turbulence interaction to investigate flame structures and detailed chemistry effects at high Karlovitz numbers. Intensified convective-diffusive transport within the fine reaction zone layers is observed which is found to significantly alter the chemical pathway with, e.g., intensified heat release rate at low temperatures. Based on these observations a categorization, supplementary to the conventional one, is proposed, which is able to incorporate detailed chemistry effects into the classification of turbulent premixed flames at high Karlovitz numbers. The effect of differential diffusion was found significant, both globally (in terms of the fuel diffusion effect) and locally (in terms of the radical diffusion effect), also in the distributed reaction zone regime.<br/><br>
LES was employed for a low swirl stabilized flame utilizing a flamelet combustion model approach. A dynamic modeling approach to incorporate sensitivity to local variations in the subgrid scale flame wrinkling was implemented and validated. The simulations showed high sensitivity of the prediction of turbulent flame fluctuations as well as ambient air entrainment rate into burned gases to inflow conditions and operating conditions. Lower sensitivity was found to domain size and combustion model. Overall the model results showed good agreement with the velocity and scalar validation data in the thin reaction zone regime. In order to analyze the influence of frequency specific coherent structures on the flame dynamics extended dynamic mode decomposition was performed which was able to delineate the effects of the inner and outer shear layer vorticity on the flame stabilization.},
  author       = {Carlsson, Henning},
  isbn         = {978-91-7623-170-8},
  keyword      = {Direct numerical simulation,Large eddy simulation,Turbulent premixed combustion,Flow-flame interaction,High Karlovitz number},
  language     = {eng},
  pages        = {69},
  title        = {Detailed Numerical Simulations of Turbulent Premixed Flames at Moderate and High Karlovitz Numbers},
  year         = {2014},
}