Open Access

Carlo Locci

• The environmental emergency has led to the development of new combustion technologies. In this context, flameless combustion (FC in this manuscript) offers the prospect of a less polluting and more efficient technology. In FC, combustion is strongly diluted with recirculated burnt gases. Consequently the oxygen content is reduced and temperature peaks are smoothed, yielding reduced heat release. These conditions dramatically reduce the conditions of NO pollutant formation and increase the efficiency of the combustion process. Being FC a relatively new technology, it still needs optimization and R&D, which can be expensive and time consuming. Potentially, CFD can reduce both the financial costs as well as the R&D projects length. The context in which this thesis is inserted is exactly the numerical modeling of FC, by using Large Eddy Smulations for its better prediction of the turbulent ternary mixing (fuel - burnt gases -air), compared to RANS. This work has been divided into two main parts. In the first, combustion in FC has beenThe environmental emergency has led to the development of new combustion technologies. In this context, flameless combustion (FC in this manuscript) offers the prospect of a less polluting and more efficient technology. In FC, combustion is strongly diluted with recirculated burnt gases. Consequently the oxygen content is reduced and temperature peaks are smoothed, yielding reduced heat release. These conditions dramatically reduce the conditions of NO pollutant formation and increase the efficiency of the combustion process. Being FC a relatively new technology, it still needs optimization and R&D, which can be expensive and time consuming. Potentially, CFD can reduce both the financial costs as well as the R&D projects length. The context in which this thesis is inserted is exactly the numerical modeling of FC, by using Large Eddy Smulations for its better prediction of the turbulent ternary mixing (fuel - burnt gases -air), compared to RANS. This work has been divided into two main parts. In the first, combustion in FC has been investigated by means of a new tabulated combustion model initially written in the context of the EC-KIAI project and developed and adapted to FC in this thesis. The model uses diluted homogeneous reactors DHR to simulate FC and it was developed to account for under adiabatic enthalpy losses and the ternary mixing typical of FC. The model was firstly validated on a non-premixed flame academical configuration called Flame D and subsequently on a real FC combustor from the work of Verissimo et al. The results obtained for these configurations are quite correct although some discrepancies in CO prediction are observed. In the second part of the thesis, the NO pollutant modeling in FC is investigated. With this aim, the Diffusion Flame - NO relaxation approach DF-NORA was developed. It consists in tabulating the NO relaxation towards equilibrium of the NO source term in a flamelet structure. As done in the first part, the model was first validated on Flame D and then employed in a real FC configuration. Results are quite satisfactory in both config- urations. The encouraging results obtained in this work open the possibility of applying the proposed developments to real industrial configurations in the future.…
• Die weltweit gestiegenen Umweltauflagen haben zur Entwicklung neuer Verbrennungs-Technologien geführt. In diesem Kontext bietet das Konzept der flammenlosen Verbrennung (flameless combustion, im Folgenden als FC bezeichnet) Potential für eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes und eine Steigerung der Effizienz. Bei der FC wird die Reaktionszone durch rezirkuliertes Abgas stark verdünnt. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt gesenkt und Temperatur-Spitzen werden geglättet, was zu einer reduzierten Wärmefreisetzung führt. Diese Bedingungen führen zu einer drastischen Reduktion der NO-Emissionen und einer erhöhten Effizienz der Verbrennung. Da die FC eine relativ neue Technologie ist, existiert nach wie vor ein hoher Bedarf an weiterer Forschung und Entwicklung, welche zeit- und kostenintensiv ist. Die numerische Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) birgt in diesem Kontext ein hohes Potential für Zeit- und Kostenersparnis. Das Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung der FC mittels numerischer Strömungsmechanik,Die weltweit gestiegenen Umweltauflagen haben zur Entwicklung neuer Verbrennungs-Technologien geführt. In diesem Kontext bietet das Konzept der flammenlosen Verbrennung (flameless combustion, im Folgenden als FC bezeichnet) Potential für eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes und eine Steigerung der Effizienz. Bei der FC wird die Reaktionszone durch rezirkuliertes Abgas stark verdünnt. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt gesenkt und Temperatur-Spitzen werden geglättet, was zu einer reduzierten Wärmefreisetzung führt. Diese Bedingungen führen zu einer drastischen Reduktion der NO-Emissionen und einer erhöhten Effizienz der Verbrennung. Da die FC eine relativ neue Technologie ist, existiert nach wie vor ein hoher Bedarf an weiterer Forschung und Entwicklung, welche zeit- und kostenintensiv ist. Die numerische Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) birgt in diesem Kontext ein hohes Potential für Zeit- und Kostenersparnis. Das Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung der FC mittels numerischer Strömungsmechanik, wobei Large Eddy Simulationen statt RANS Simulationen eingesetzt werden, da damit eine bessere Vorhersage der turbulenten Dreistrommischung zwischen Kraftstoff, Luft und Abgas möglich ist. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Zunächst wurde die FC mittels eines neuen tabellierten Verbrennungsmodells untersucht, welches ursprünglich im Rahmen des EC-KIAI Projektes entwickelt worden ist und in Rahmen dieser Arbeit für die FC angepasst wurde. Um die für die FC charakteristischen Einflussfaktoren der Wärmeverluste sowie der Dreistoffmischung zu berücksichtigen, beruht das Modell auf verdünnten homogenen DHR Reaktor Simulationen. Das Modell wurde sowohl an einer akademischen nichtvorgemischten Laborflamme (Flame D) als auch an einem realistischen FC-Brenner (Verissimo et al.) validiert. Die Modellvorhersagen zeigten generell eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten, nur für CO wurden größere Abweichungen beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modellierung der Bildung von NO in der FC genauer untersucht. Hierzu wurde das DF-NORA (diffusion flame NO relaxation approach) Modell entwickelt. Es beruht auf der Tabellierung der Relaxation des Quellterms der NO-Bildung hin zum Gleichgewichtszustand in einer Flamelet-Struktur. Zur Validierung des Modells wurden die gleichen Testfälle wie im ersten Teil der Arbeit benutzt. Dabei wurden für beide Testfälle zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Damit zeigen die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Modelle gutes Potential für einen zukünftigen Einsatz in der Simulation von industriellen FC-Anlagen.…