Multi-regime combustion modelling in high-fidelity numerical simulations of reacting flows

Abstract

(English) The quest to reduce carbon-based emissions has led to the use of alternative fuels and combustion systems. The aviation industry presents unique challenges due to the need for high-energy fuels, with e-fuels and hydrogen among the early candidates to facilitate net-carbon neutrality. To this end, LES simulations of turbulent reacting flows have emerged as key design and analysis tools. Capturing the complexities of realistic burner configurations poses a multi-scale, multi-physics problem. The inherent flow complexities and multi-fuel systems often result in practical systems operating in multi-regime combustion, a consequence of mixture inhomogeneity that promotes a complex response of burning rates and pollutant formation. It is therefore fundamental that the models reacting flows capture this complex response. Combustion can be solved using a variety of methods that balance generality and computational cost. Finite rate chemistry methods are the most general but also prohibitively expensive, while manifold-based methods offer a feasible option but with limited generality. This study addresses the problem of multi-regime combustion from both perspectives and advances the current state-of-the-art in these methods.

Acceleration in the FRC solver is achieved by focusing on the most computationally expensive task: chemical integration. The two fold strategy reduces chemistry and utilises solvers that take advantage of the reduction. After briefly discussing chemistry reduction methods, a novel dynamic adaptive chemistry (TRAC), which is based on the dynamic tabulation of reactions in a low-order manifold space is presented. TRAC is analysed in canonical combustion problems, where a speedup of around 30 % was achieved at a negligible loss in accuracy. Despite the gains in computational performance complete description of turbulent reacting flows in the limit of the current computational resources is unfeasible, this leads naturally to the other facet of the study, which is to include generality in manifold based methods.

Regarding manifold based methods, two strategies were analysed, namely, the multi-regime flamelet and the multi-mode combustion model. The models were tested in 1-D and 2-D benchmark problems, where the multi-mode combustion method excels at highly stratified flows. Though, for low and moderately stratified flows both the methods show better prediction than conventional manifold methods. The multi-model combustion model is applied to the multi-regime burner (MRB), where it reproduces global and conditional flame statistics.

Overall, the objectives of realising multi-regime combustion at various levels of complexity was achieved using the different strategies studied. Lastly, concluding remarks are given for the usability of the methods in context of current HPC scenario.

(Català) La recerca per reduir les emissions de carboni ha conduït a l'ús de combustibles alternatius i sistemes de combustió. La indústria de l'aviació presenta desafiaments únics a causa de la necessitat de combustibles d'alta energia; els biocombustibles i l'hidrogen són entre els primers candidats per facilitar la neutralitat de carboni. En aquest sentit, les simulacions LES de fluxos turbulents reactius han emergit com una eina clau de disseny i anàlisi. Capturar les complexitats de les configuracions reals dels cremadors planteja un problema de múltiples escales i múltiples físics. Les complexitats inherents del flux i els sistemes de multi-combustible sovint condueixen a sistemes pràctics que operen en combustió de múltiples règims, que és una conseqüència de l'estratificació de la mescla i promou una resposta complexa de la velocitat de la flama. És fonamental que la química del flux reactiu recuperi aquesta resposta complexa. La química es pot resoldre mitjançant una varietat de mètodes, cadascun amb un compromís entre generalitat i cost computacional. Els mètodes de química de taxa finita són els més generals però també són prohibitòriament costosos; d'altra banda, els mètodes basats en varietats proporcionen una opció factible però amb una generalitat limitada. L'estudi actual aborda el problema de la combustió de múltiples règims des de tots dos extrems i amplia l'estat de l'art actual en aquests mètodes.

L'acceleració en el solucionador FRC s'aconsegueix enfocant-se en el càlcul més costós computacionalment de la integració química. L'estratègia doble redueix la química i utilitza solucionadors que aprofiten la reducció. Després de discutir breument els mètodes de reducció de química, es presenta una nova química adaptativa dinàmica (TRAC), que es basa en la taula dinàmica de reaccions en un espai de varietats de baix ordre. TRAC s'analitza en problemes de combustió canònica, on s'aconsegueix una acceleració d'aproximadament el 30 % amb una pèrdua negligible d'exactitud. Malgrat els guanys en el rendiment computacional, la descripció completa dels fluxos turbulents reactius dins del límit dels recursos computacionals actuals és inviable, cosa que condueix naturalment a l'altra faceta de l'estudi, que és incloure generalitat en els mètodes basats en varietats.

Pel que fa als mètodes basats en varietats, es van analitzar dues estratègies, a saber, el flamelet de múltiples règims i el model de combustió de múltiples modes. Els models es van provar en problemes de referència en 1-D i 2-D, on el mètode de combustió de múltiples modes destaca en fluxos altament estratificats. No obstant això, per a fluxos de baixa i moderada estratificació, ambdós mètodes mostren una millor predicció que els mètodes convencionals basats en varietats. El model de combustió de múltiples modes s'aplica a un cremador de múltiples règims rellevant, on reprodueix estadístiques de flama globals i condicionals.

En general, els objectius de realitzar la combustió de múltiples règims a diversos nivells de complexitat es van aconseguir utilitzant les diferents estratègies estudiades. Finalment, es donen comentaris conclusius sobre l'usabilitat dels mètodes en el context de l'escenari HPC actual.

(Español) La búsqueda de reducir las emisiones basadas en carbono ha llevado al uso de combustibles alternativos y sistemas de combustión. La industria de la aviación presenta desafíos únicos debido a la necesidad de combustibles de alta energía, con los e-fuels y el hidrógeno como algunos de los primeros candidatos para facilitar la neutralidad de carbono. En este sentido, las simulaciones LES de flujos turbulentos reactivos han surgido como herramientas clave de diseño y análisis. Capturar las complejidades de configuraciones de quemadores realistas plantea un problema multiescala y multifísico. Las complejidades inherentes del flujo y los sistemas de combustibles múltiples a menudo resultan en sistemas prácticos que operan en combustión de régimen múltiple, consecuencia de la inhomogeneidad de la mezcla, que promueve una respuesta compleja de las tasas de combustión y la formación de contaminantes. Por lo tanto, es fundamental que los modelos de flujos reactivos capturen esta respuesta compleja. La combustión se puede resolver utilizando una variedad de métodos que equilibran la generalidad y el coste computacional. Los métodos de química de tasa finita son los más generales, pero también prohibitivamentes costosos, mientras que los métodos basados en manifold ofrecen una opción factible pero con limitada generalidad. Este estudio aborda el problema de la combustión de régimen múltiple desde ambas perspectivas y avanza el estado del arte en estos métodos.

La aceleración en el solucionador FRC se logra centrándose en la tarea más costosa computacionalmente: la integración química. La estrategia en dos partes reduce la química y utiliza solucionadores que aprovechan la reducción. Después de discutir brevemente los métodos de reducción de química, se presenta un novedoso método de química adaptativa dinámica (TRAC), que se basa en la tabulación dinámica de reacciones en un espacio de manifold de bajo orden. TRAC se analiza en problemas de combustión canónicos, donde se logró una aceleración de alrededor del 30 % con una pérdida de precisión insignificante. A pesar de las mejoras en el rendimiento computacional, la descripción completa de los flujos turbulentos reactivos dentro de los límites de los recursos computacionales actuales es inviable, lo que conduce naturalmente a la otra faceta del estudio, que es incluir generalidad en los métodos basados en manifold.

En cuanto a los métodos basados en manifold, se analizaron dos estrategias, a saber, el flamelet de régimen múltiple y el modelo de combustión multimodal. Los modelos se probaron en problemas de referencia 1-D y 2-D, donde el método de combustión multimodal sobresale en flujos altamente estratificados. Aunque, para flujos baja y moderadamente estratificados, ambos métodos muestran mejores predicciones que los métodos de manifold convencionales. El modelo de combustión multimodal se aplica al quemador de régimen múltiple (MRB), donde reproduce estadísticas globales y condicionales de la llama.

En general, se lograron los objetivos de realizar combustión de régimen múltiple a varios niveles de complejidad utilizando las diferentes estrategias estudiadas. Finalmente, se dan comentarios finales sobre la usabilidad de los métodos en el contexto del escenario actual de HPC.