Highly-Resolved Numerical Simulation of the Turbulent Combustion Process in Experimental Burners

This paper presents investigations of experimentally well-characterised turbulent flames with highly-resolved Large Eddy Simulations (LES) and Direct Numerical Simulations (DNS). The combustion process is modelled with a flamelet-based approach, which assumes that the local turbulent flame structure can be described by an ensemble of wrinkled laminar flames. Good agreements between the simulation results and experimental measurement data is achieved. The governing equations are discretised with the Finite Volume Method (FVM). The numerical implementation is tailored for massively parallel simulations on a large number of grid cells. The computational efficiency benefits from the applied simple grid structure and the use of non-blocking Message Passing Interface (MPI) parallelisation

Large eddy and direct numerical simulation of single and multiphase flows relying on lagrangian particle methods

In this work, tools are developed for different applications of Lagrangian particle methods in large eddy simulation (LES) and direct numerical simulation (DNS), to represent solid fuel particles, and notional gas phase particles in the Lagrangian transported filtered density function (FDF) method. In the first part of this work, the computational framework for pulverized coal combustion LES relying on Lagrangian particles is extended by the incorporation of a multi-dimensional flamelet model for gas phase combustion and different devolatilization models. The multidimensional flamelet model is parameterized by two mixture fractions for volatiles and char off-gases, enthalpy and scalar dissipation rate. The framework and modeling is adapted to a semi-industrial scale coal furnace and a laboratory coal jet flame to validate the simulation approach in a realistic case and to study devolatilization models in detail. The data is analyzed and extensively compared to experimental measurements, with emphasis on species and temperature predictions, burnout statistics, radiation, and devolatilization and ignition behavior. To be able to better understand the ignition process and provide a database for flamelet modeling, the code is extended for pulverized coal combustion simulation DNS. This includes the incorporation of species transport, chemical kinetics and appropriate solvers. The DNS data is analyzed in detail, focusing on the ignition behavior, burning modes, heat losses and pseudo-flamelet structures, providing valuable implications for flamelet modeling in the LES. For the second part of this work, a transported filtered density function (FDF) method is implemented into the LES code. This transported FDF method is then modified to combine cost-effective flamelet-based presumed FDF models with accurate transported FDF finite rate chemistry strategies in a hybrid manner. The hybrid method relies on seeding Lagrangian particles representing the transported FDF only at those locations of the flame where the flamelet model is insufficient, aiming to improve accuracy at an affordable cost. This hybrid method is tested on the Sydney/Sandia piloted jet flame with inhomogeneous inlets. It is shown that the method can accurately predict the flame with a greatly reduced number of computational particles.In dieser Arbeit wurden Werkzeuge für verschiedene Anwendungen von Lagrange-Partikel- Methoden in Grobstruktursimulationen (LES) und ,Direkten Numerischen Simulationen’ (DNS) entwickelt, zum einen um Partikel aus Festbrennstoff, und zum anderen um ,fiktive’ Gasphasenpartikel in der Methode der Lagrange-transportierten gefilterten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zu beschreiben. In dem ersten Teil der Arbeit wurde das numerische Grundgerüst für die Grobstruktursimulation von Kohlenstaubverbrennung, welches auf der Lagrange’schen Beschreibung der Kohlepartikel beruht, durch die Implementierung eines mehrdimensionalen Flamelet-Modells zur Beschreibung der Gasphasenverbrennung und von verschiedenen Pyrolyse-Modellen erweitert. Das mehrdimensionale Flamelet-Modell ist durch zwei Mischungsbrüche für die Volatilen und die Koksabbrandgase, sowie Enthalie und skalare Dissipationsrate parametrisiert. Die numerische Methode und Modellierung wurde für die Simulation einer semi-industriellen Brennkammer und einer Kohlestrahlflamme angepasst, um die Simulationsmethode anhand eines realistischen Falls zu validieren und Pyrolyse- modelle im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden analysiert und umfassend mit den Experimenten verglichen, wobei der Fokus auf Spezies- und Temperaturvorhersagen, Ausbrandstatistiken, Strahlung, sowie Pyrolyse- und Zündverhalten lag. Um ein besseres Verständnis des Zündprozesses zu erlangen, sowie eine Datenbank für zukünftige Flamelet-Modellierung zu liefern, wurde der Code um die Möglichkeit der DNS von Kohlestaubfeuerung erweitert. Dies beinhaltet den Transport von chemischen Spezies, die Beschreibung chemischer Reaktionen sowie entsprechende Löser. Die DNS wurde im De- tail untersucht, wobei der Fokus auf dem Zündverhalten, den Brennmodi, Wärmeverlusten und Pseudo-Flameletstrukturen lag, um so eine wertvolle Basis für detailliertere LES Flamelet-Modellierung zu liefern. Für den zweiten Teil der Arbeit wurde die Methode der Lagrange-transportierten gefilterten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (FDF) in den LES Code implementiert. Diese transportierte FDF Methode wurde im Anschluss modifiziert, um kosteneffektive Flamelet-basierte und angenommene FDF Strategien mit den auf der genauen transportierten FDF mit zeitaufgelöster detaillierter Chemie beruhenden Strategien, in einer hybriden Methode zu kombinieren. Diese hybride Methode beruht auf dem Einsatz von Partikeln nur dort, wo das Flamelet-Modell unzureichend ist, mit dem Ziel die Genauigkeit bei erschwinglichem Aufwand zu verbessern. Die hybride Methode wurde anhand der Simulation der pilotierten Sydney/Sandia Flamme mit inhomogenem Einlass getestet. Dabei zeigte sich, dass die Methode diese Flamme mit einer deutlich verkleinerten Anzahl an Partikeln genau vorhersagen kann

Numerical simulation of pulverized coal combustion

Die Arbeit befasst sich mit der Flamelet Modellierung für die Verbrennung von Kohlenstaub. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der detaillierten Betrachtung der Gasphasenchemie als auch auf der Interaktion der Kohle mit der Gasphase. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode für die Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen. Die energetische Umsetzung von Kohle läuft in drei wesentlichen Schritten ab: Verdampfung der Feuchtigkeit, Ausgasung der Kohle (Pyrolyse) und schließlich der Koksabbrand. Da die Struktur der Kohle als fossiler Brennstoff hoch komplex ist, existieren viele prädiktive, rechenaufwändige Modelle zur Beschreibung dieser Prozesse [1–4]. Diese Modelle können nicht direkt in numerischen Strömungssimulationen genutzt werden, dienen aber zur Kalibrierung einfacherer kinetischer Modelle. Diese in der Arbeit angewendete Prozedur wird in [5] beschrieben. Zur detaillierten Beschreibung des Abbaus der entstehenden höheren Kohlenwasserstoffe werden in der Simulation große Reaktionsmechanismen benötigt. Die Benutzung solcher Mechanismen ist mit großen Rechenzeiten verbunden und daher bleibt deren Anwendbarkeit auf einfache Anwendungsfälle beschränkt. Der Vorteil der Flamelet Modellierung besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen der komplette thermo-chemische Zustand, bestehend aus Temperatur, Druck und Zusammensetzung, mit nur wenigen charakterisierenden Kontrollvariablen abgebildet werden kann. Durch Vorgabe und Variation der Kontrollvariablen können diese Zustände mittels kanonischer Flammenkonfigurationen vorberechnet und in sogenannten Flamelettabellen abgespeichert werden. Für das klassische Flamelet / Fortschrittsvariablen Modell [6] wird der thermo-chemische Zustand über Mischungsbruch und Fortschrittsvariablen parametriert, dabei bestimmt der Mischungsbruch den Anteil an Brenn- stoff im Gemisch und die Fortschrittsvariable den Fortschritt der chemischen Reaktion. Die Kontrollvariablen werden in der numerischen Simulation transportiert, an Stelle der Energie- und Speziesgleichungen. Dies stellt für große Mechanismen eine dramatische Reduktion der zu lösenden Gleichungen dar. Der thermo-chemische Zustand ergibt sich per Look-up aus den Flamelettabellen. Im Zuge der Verbrennung trockener Kohle werden zwei Brennstoffe durch Pyrolyse und Koksabbrand freigesetzt. Für die Flamelet Modellierung bedeutet dies entsprechend je einen Mischungsbruch für Pyrolysegas und Produkte aus dem Koksabbrand. Neben der Fortschrittsvariablen wird ebenfalls die Enthalpie der Gasphase als Kontrollvariable benötigt aufgrund des intensiven Wärmeaustauschs zwischen Kohle und Gasphase. In der Arbeit erfolgt die Vorstellung der benötigten Transportgleichungen sowie die Beschreibung verschiedener Methoden zur Integration nicht-adiabater Zustände in Flamelettabellen. Dabei unterscheiden sich die vorgestellten Tabellierungstrategien hauptsächlich in der betrachteten Verbrennungsart. IV Erfolgt die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der untersuchten Flammenkonfiguration, spricht man von Diffusionsflammenstrukturen; sind beide schon gemischt, so entstehen Vormischflammenstrukturen. Die Detektion solcher Strukturen erfolgt in der Arbeit anhand einer Flammenstrukturanalyse mittels Flammenmarker. Die prinzipielle Übertragbarkeit des Flamelet / Fortschrittsvariablen Modells auf turbulente Kohlestaubfeuerung wurde von Watanabe [7] gezeigt, jedoch ist die Bewertung der eingesetzten Flamelet Modellierung in Grobstruktursimulationen nicht ohne weiteres möglich. Deshalb werden zur Verifizierung der entwickelten Tabellierungstrategie in der Arbeit einfache Flammenkonfigurationen betrachtet, die es erlauben, direkte Chemielösungen mit den Lösungen der tabellierten Chemie zu vergleichen. Für den entsprechenden Vergleich erfolgt die Vorstellung zweier Analysen. Bei der a priori Analyse wird der thermo-chemische Zustand der detaillierten Lösung mit dem tabellierten Zustand verglichen. Für den Look-up werden dabei die Kontrollvariablen der direkten Chemiesimulation benutzt. Die a posteriori Analyse ist der Vergleich einer voll gekoppelten Rechnung unter Benutzung der Tabellierungstrategie mit der zugehörigen detaillierten Rechnung. Die erste untersuchte Konfiguration stellt eine Gegenstromanordnung mit vorgewärmter Luft und Kohlebeladung dar. Die Hauptergebnisse dieser rein numerischen Studie wurden bereits veröffentlicht [8] und es konnte die erfolgreiche Applikation der vorgestellten Tabellierungstrategie in dieser Anordnung für Tabellen basierend auf Diffusionflammenstrukturen gezeigt werden. Für die Validierung der detaillierten Rechnungen erfolgt die Nutzung experimenteller Daten [9, 10] für magere Methan-Sauerstoff-Stickstoff Mischungen in Staupunktströmungen. Es zeigt sich, dass diese Konfigurationen stark von den vorgemischten Gasflammen dominiert werden und somit Tabellen basierend auf Vormischflammenstrukturen einzusetzen sind. Die entwickelte Tabellierungsmethode ist in der Lage, auch diese Flammenstrukturen abzubilden. Abschließend wird numerisch eine Parametervariation hinsichtlich Einlassgeschwindigkeit und Kohlebeladung vorgestellt, um die Robustheit und breite Anwendbarkeit der entwickelten Tabellierungstrategie aufzuzeigen. Zusammenfassend konnte mittels Flammenstrukturanalyse für jede vorgestellte Konfiguration der zu verwendende Typ der Tabelle bestimmt werden. In den untersuchten Konfigurationen führte deren Anwendung zu einer guten Übereinstimmung mit den detaillierten Rechnungen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für weiterführende Betrachtung zur Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen

CFD Modeling of Complex Chemical Processes: Multiscale and Multiphysics Challenges

Computational fluid dynamics (CFD), which uses numerical analysis to predict and model complex flow behaviors and transport processes, has become a mainstream tool in engineering process research and development. Complex chemical processes often involve coupling between dynamics at vastly different length and time scales, as well as coupling of different physical models. The multiscale and multiphysics nature of those problems calls for delicate modeling approaches. This book showcases recent contributions in this field, from the development of modeling methodology to its application in supporting the design, development, and optimization of engineering processes

The spatiotemporal coherence as an indicator of the stability in swirling flows

Combustion has played a key role in the development of human society; it has driven the evolution in the manufacturing processes, transportation, and it is used to produce the vast majority of the global energy consumed. The emission of pollutants from the combustion of fossil fuels in power plants lead to the development of advanced clean energy technologies, such as carbon capture and storage. Oxyfuel combustion is part of the carbon capture and storage techniques, and consists in the replacement of the air as oxidiser in the reaction with a mixture of oxygen and recycled flue gas, thus allowing a rich CO2 out-flow stream that can subsequently be compressed, transported and safely stored. The number of phenomena in combustion that are inherently dynamic impede the convention of a unique conception of flame stability. However, the quantification of the flow repeatability can produce insights on the efficiency of the process. This thesis presents the assessment of the stability in swirling flows through the calculation of their spatiotemporal coherence. The experimental data obtained from a 250 kWth combustor allows the assessment of the flame by means of spectral and oscillation severity analyses. A similar methodology is developed to analyse the data from large eddy simulations. The spectral analysis, the proper orthogonal decomposition and the dynamic mode decomposition have been employed to account for the temporal, spatial and spatiotemporal coherence of the flow, respectively. The spatiotemporal coherence is employed as a comprehensive term for the characterisation of the dynamic behaviour in the swirling flows and as a measurable indicator of the stability. This concept can be incorporated into the design of novel combustion technologies that will lead into a sustained reduction in pollutants and to the mitigation of the noxious effects associated to them

Recent Advances on The Enhanced Thermal Conductivity of Graphene Nanoplatelets Composites: A Short Review

Graphene nanoplatelets (GNPs) have attracted significant attention in the field of thermal management materials due to their unique morphology and remarkable thermal conductive properties. In addition, their impressive thermal properties make them interesting nanofillers for producing multifunctional composite materials with a multitude range of applications. This work specifically reviews the recent advances of the application of GNPs as nanofillers for the development of enhanced thermal conductivity of various materials or composites. In this review, the insight on the improved thermal conductivity of the composites bestowed by the GNPs with comprehensive comparison are briefly discussed. This review might unlock windows of opportunities and paves the way towards the production of enhanced materials for thermal applications including electronics, aerospace devices, batteries, and structural reinforcement

Numerical Simulation of Combustion in 35 t/h Industrial Pulverized Coal Furnace with Burners Arranged on Front Wall

Coal-fired industrial boilers should operate across a wide range of loads and with a higher reduction of pollutant emission in China. In order to achieve these tasks, a physical model including two swirling burners on the front wall and boiler furnace was established for a 35 t/h pulverized coal-fired boiler. Based on Computational Fluid Dynamics (CFD) theory and the commercial software ANSYS Fluent, mathematical modeling was used to simulate the flow and combustion processes under 75% and 60% load operating conditions. The combustion characteristics in the furnace were obtained. The flue gas temperature simulation results were in good agreement with experimental data. The simulation results showed that there was a critical distance L along the direction of the furnace depth (x) and Hc along the direction of the furnace height (y) on the burner axis. When x < L, the concentration of NO decreased sharply as the height increased. When y < Hc, the NO concentration decreased sharply with an increase in the y coordinate, while increasing dramatically with an area-weighted average gas temperature increase in the swirl combustion zone. This study provides a basis for optimizing the operation of nitrogen-reducing combustion and the improvement of burner structures