Numerical study of radiative heat loss on near-extinction laminar non-premixed flames employing detailed chemistry and the FGM method

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo o estudo de diferentes abordagens para a solução do problema radiante em chamas difusivas laminares. Ao longo deste trabalho, o código Chem1d é usado extensivamente para o estudo de estruturas unidimensionais conhecidas como amelets, as quais representam as equações de transporte, cinética química e transferência de calor de uma chama, desacopladas das equações de escoamento. Essa abordagem torna possível a solução de chamas com cinética química detalhada acoplado ao problema radiativo em baixos tempos computacionais, ordens de grandeza mais rápidos que as atuais simulações multidimensionais. O código conta com o modelo de gás cinza para o limite opticamente no (Optically Thin Approximation - OTA). Além deste, o modelo de soma ponderada de gases cinzas (WSGG), bem como o método de integração Linha-por-Linha (LBL) foram implementados, e comparações entre as três abordagens são efetuadas. Para melhor estudar os efeitos da radiação, as simulações empregam diluições de N2 e CO2 ao combustível. A validação das presentes soluções se dá pela comparação de per s de velocidade e temperatura com soluções disponíveis na literatura, bem como a comparação dos termos fontes radiantes. Em seguida, os limites de extinção são investigados, aumentando-se a diluição para os modelos OTA e WSGG a diferentes taxas de deforma ção. Os resultados são comparados a dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura, mostrando que existe uma taxa de deformação limite abaixo da qual as soluções unidimensionais não conseguem corretamente reproduzir os per s experimentais devido a perdas de calor laterais e, no caso de chamas a gravidade terrestre, presença de empuxo. Posteriormente o estudo da perda de calor radiante para chamas não pré-misturadas é investigado na técnica Flamelet Generated Manifold (FGM). Um manifold tridimensional é construído empregando o enthalpy defect como uma nova variável para mapear a perda de calor. O processo para a obtenção e geração dos conjuntos de amelets necessários para a construção do manifold é detalhadamente explicado e um manifold empregando amelets estáveis é utilizado para investigar chamas não-adiabáticas, comparando soluções OTA, WSGG e LBL às suas respectivas contrapartes detalhadas. As soluções FGM se mostraram satisfatoriamente semelhantes aos per s detalhados, com grande redução no tempo computacional. Posteriormente, um manifold utilizando amelets instáveis foi constru ído para investigar os limites de extinção com os modelos OTA e WSGG, mostrando mais uma vez que as soluções FGM se aproximam satisfatoriamente dos resultados de química detalhada.

This thesis aims to explore different approaches for the solution of the radiative problem on laminar difusion ames. Throughout this work, the Chem1d code is extensively used for the study of one-dimensional ame structures known as amelets, which represents the transport, chemical kinetics and radiative heat transfer equations decoupled from ow equations. This approach makes possible the solution of detailed chemistry ames coupled with the radiative problem in low computational times, orders of magnitude faster than the current multidimensional ame simulations. Chem1d counts with a thin optic limit grey-gas model (Optically Thin Approximation - OTA). Additionaly, the Weighted Sum of Grey-Gases model (WSGG), as well as the Line-by-Line integration method (LBL) were implemented to the code, with comparisons for the three approaches taking place. For a better visualization of the radiation effects, simulations employ dilutions with N2 and CO2 for the fuel side. Validation of the present solutions is given by a comparison of velocity and temperature pro les with literature data, as well as comparisons of the radiative heat source. Following this, the extinction limits for the OTA and WSGG models are investigated, with dilutions being increased up until ame extinction for different strain rates. Results are compared to numerical and experimental literature data, showing that there exists a limit strain rate for which lower values cannot correctly reproduce experimental profiles, due to lateral heat losses and, for Earth's gravity conditions, the presence of buoyancy. Later, the study of radiative heat loss for non-premixed ames is investigated in the Flamelet Generated Manifold (FGM) technique. A three dimensional manifold is constructed employing the enthalpy defect as a new control variable to map heat loss. The process for the generation of sets of amelets with the required enthalpy defect levels is described and a manifold with the use of stable amelet solutions is constructed and used to investigate non-adiabatic ames, comparing OTA, WSGG and LBL solutions to each respective detailed chemistry counterpart. FGM solutions show to be satisfactorily similar to the detailed pro les, with a great reduction in computational time. Lastly, a manifold employing the unsteady amelet solutions is constructed to study extinction limits within the FGM method with the OTA and WSGG models, showing once more that the FGM solutions adequately approach the detailed chemistry results.