Numerical investigation of premixed flame propagation

Abstract

Premixed flame propagation is one of the most interesting problems in combustion, of both practical and fundamental interest. It is characterized not only by the intrinsic instabilities, but also by the interaction with an extended range of flow scales. The recent progress in computational capabilities has enabled high-fidelity numerical simulations of reactive flows, able to capture the details of the intricate aero-thermo-chemical interactions, thus increasing their importance in combustion research. The present work aims at investigating the propagation of premixed spherical flames in laminar and turbulent environment, via direct numerical simulations of the reactive Navier-Stokes equations at the low-Mach number limit. Although in most practical applications combustion occurs in a turbulent environment, the study of laminar flames is important for understanding the fundamental mechanisms of turbulent flame propagation and the complex phenomena involved. Hence, a large number of laminar flame calculations was performed, considering propane-air and syngas-air mixtures at various conditions, using both single-step and detailed chemistry. Emphasis was given on the proper evaluation of the flame displacement speed and its dependence on flame stretch rate, a relation which is linear for weakly stretched flames and is expressed through the Markstein length. By systematically comparing numerical simulations and results obtained from rigorous asymptotic analysis, it was proved that an iso-surface sufficiently close to the burned side of the flame should be selected for the determination of the flame displacement speed and the corresponding Markstein length. The flame consumption speed, an alternative expression for the flame speed measuring the consumption rate of a reactant, was evaluated in laminar cusp-like propane-air flames under lean and rich conditions. It was shown that, in order to extract the correct value of the consumption speed, its calculation should be always based on the consumption rate of the reactant that has been totally consumed at the reaction zone. As theoretically predicted, the Markstein length associated with the consumption speed differs from that related to the displacement speed, with this difference being independent of the stoichiometry and reactivity of the mixture. For mixtures with effective Lewis number less than unity, an opposite dependence of the flame displacement and consumption speed on stretch rate is obtained. A series of large-scale parametric simulations of premixed, spherically expanding syngas-air flames, propagating into homogeneous and isotropic turbulent flow fields, was performed in open circular (2-D) and spherical (3-D) domains. The adjustable parameters were the mixture composition (equivalence ratio φ and molar ratio CO/H2) and the characteristics of the initial turbulent flow field (integral length scale and intensity). The analysis focused on the early flame kernel development, as well as on the investigation of the effect of turbulence on the global burning rate and on the local characteristics of the flame. It was found that the transition of the flame kernel from laminar to turbulent is determined by the relation between the chemical and the flow time scales, expressed through the Damköhler number. The subsequent flame propagation is dominated by the significant increase in the effective flame front area resulting from the more intense wrinkling. A local analysis on the turbulent flame front revealed the presence of preferential diffusion effects for lean mixtures. Indications of the formation of cells due to thermal-diffusive instability were also noted. Finally, by adapting Damköhler's formulation for the turbulent flame speed appropriately to account for the spherical flame propagation, the isolation of the effect of turbulence from the mean propagation can be achieved, providing an expression for the turbulent flame speed of spherical flames.

Στόχος της διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της μετάδοσης φλόγας προανάμιξης σε μίγμα αέρα-καυσίμου που βρίσκεται σε ηρεμία και χαρακτηρίζεται από στρωτή ροή, αλλά και υπό την παρουσία τύρβης. Η μελέτη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάδοση του μετώπου της φλόγας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο στα πλαίσια της βασικής έρευνας με στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της θερμορευστομηχανικής, όσο και στα πλαίσια βιομηχανικών εφαρμογών, όπως η διάδοση φλόγας προανάμιξης σε κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή (Otto), αλλά και σε κινητήρες έναυσης με συμπίεση ομογενοποιημένου (HCCI) ή στρωματοποιημένου (SCCI) μίγματος. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε με τη μεθοδολογία της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης (DNS), δηλαδή χωρίς τη χρήση μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της ταχύτητας διάδοσης του μετώπου της φλόγας, καθώς και στην εξάρτησή της από τη διάταση (stretch) στην οποία αυτό υπόκειται λόγω της σφαιρικής γεωμετρίας, αλλά και εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με το τυρβώδες ροϊκό πεδίο. Διενεργήθηκε μεγάλος αριθμός προσομοιώσεων στρωτής φλόγας προανάμιξης με στόχο την πλήρη κατανόηση της προαναφερθείσας εξάρτησης, χρησιμοποιώντας απλοποιημένη και λεπτομερή περιγραφή των χημικών αντιδράσεων. Ακολούθησε συστηματική σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με αυτά που προέκυψαν από την εφαρμογή της ασυμπτωτικής θεωρίας για φλόγες προανάμιξης υπό διάταση, σε μεγάλο εύρος συνθηκών άκαυστου μίγματος προπανίου-αέρα (πίεση, θερμοκρασία, λόγος ισοδυναμίας). Επίσης, αναγνωρίστηκε η ισο-επιφάνεια στο εσωτερικό της φλόγας, η οποία είναι καταλληλότερη για την περιγραφή των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών της. Έχοντας κατανοήσει πλήρως την επίδραση της διάτασης στην ταχύτητα διάδοσης του στρωτού, απόλυτα σφαιρικού μετώπου της φλόγας, στη συνέχεια διενεργήθηκαν προσομοιώσεις σταδιακά αυξανόμενης πολυπλοκότητας. Στόχος αρχικά ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς της ταχύτητας και άλλων σημαντικών χαρακτηριστικών της φλόγας υπό την παρουσία φαινομένων υδροδυναμικής αστάθειας (hydrodynamic instability), τα οποία προκαλούνται λόγω της ανομοιογένειας στο ροϊκό πεδίο που επιφέρει η παρουσία εξώθερμων χημικών αντιδράσεων και η συνεπαγόμενη απότομη αύξηση της θερμοκρασίας. Αξιολογήθηκαν οι διάφοροι τρόποι έκφρασης της ταχύτητας της φλόγας και ποσοτικοποιήθηκαν οι διαφορές τους.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια πολυ-παραμετρική ανάλυση μέσω υπολογισμών μεγάλης κλίμακας, για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μετώπου της φλόγας και του τυρβώδους ροϊκού πεδίου, σε κυκλικές και σφαιρικές γεωμετρίες. Ως κάυσιμο χρησιμοποιήθηκε το αέριο σύνθεσης (syngas), τα χαρακτηρηστικά της καύσης του οποίου δεν είναι ακόμη ευρέως γνωστά. Οι μεταβαλόμενες παράμετροι ήταν η σύσταση του μίγματος (λόγος ισοδυναμίας φ, λόγος CO/H2), αλλά και τα χαρακτηριστικά του τυρβώδους ροϊκού πεδίου (ολοκληρωτική κλίμακα μήκους και ένταση τύρβης). Οι συνήκες που επιλέχθηκαν είναι όμοιες με αυτές που συναντώνται στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης. Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση του ρυθμού καύσης για αυξανόμενες τιμές έντασης της τύρβης, μέσω της δημιουργίας πτυχώσεων στην επιφάνεια της φλόγας, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ φλόγας και δινών του ροϊκού πεδίου. Ο μηχανισμός αυτός βρέθηκε να υπερισχύει των τοπικών μεταβολών στην ταχύτητα, που μπορούν να επιφέρουν οι αλλαγές στη σύσταση και στη στοιχειομετρία του μίγματος.