Numerical study of combustion instabilities and low-temperature chemistry effects in premixed flames under internal combustion engine conditions

Abstract

O crescimento econômico mundial é uma soma positiva de benefícios onde mais pessoas têm acesso a mais bens e serviços. Ao mesmo tempo, a espinha dorsal do crescimento encontra-se, invariavelmente, no aumento da disponibilidade e consumo de energia. Uma das estratégias para mitigar os efeitos antropogênicos sobre o clima do planeta é reduzir as emissões dos modais de transporte. Embora a mudança a longo prazo aponte para um uso maior de eletrificação, e de combustíveis alternativos, como o hidrogênio verde e biocombustíveis, a ação imediata concentra-se na redução de peso e no aumento da eficiência de motores veiculares. O avanço na tecnologia da combustão é um dos componentes e, portanto, a eficiência termodinâmica dos motores deve ser aumentada para diminuir a emissão de gases de efeito estufa e poluentes. Metodologia Este estudo concentra-se na investigação das propriedades químicas, físicas e de transporte de chamas pré-misturadas pobres, amplamente utilizadas em motores de ignição por centelha para automóveis e em sistemas avançados de turbinas a gás para geração de energia. Além disso, são estudados combustíveis tradicionais, como simulacros da gasolina, e combustíveis renováveis promissores, como metano, dimetil éter e hidrogênio. A tese utiliza abordagens numéricas para investigar o comportamento da ignição e propagação de chamas em condições relevantes de motor. O trabalho está dividido em duas partes principais. A primeira parte volta-se para o estudo dos efeitos hidrodinâmicos e termo- difusivos de chamas de metano, dimetil éter e hidrogênio. Na segunda parte, o trabalho enfoca o processo de combustão onde a química de baixa temperatura desempenha um papel essencial e está relacionada ao limite de detonação de motores. Resultados e discussões Os efeitos das instabilidades, curvatura, deformações normais e tangenciais na taxa de estiramento da chama e velocidade de deslocamento da chama foram estudados usando simulações numéricas diretas para chamas canônicas, planares e de Bunsen, para três diferentes misturas pobres de combustível/ar, metano, DME e hidrogênio. A correlação entre a velocidade da chama e o número de Karlovitz mostrou-se semelhante para metano e DME. A fração de massa de hidrogênio ao longo da superfície da chama apresenta uma forte deficiência na região de curvatura positiva e excesso na região de curvatura negativa em comparação com a chama plana adiabática. Esta tendência é observada não apenas ao longo da superfície da chama, mas também em toda a distribuição de hidrogênio na direção normal. Para o hidrogênio, a chama de Bunsen mostra que a interação entre cinética química e taxa de estiramento modifica substancialmente a taxa de queima local para misturas pobres. Regiões com curvatura positiva podem queimar mais que o dobro da velocidade da chama plana, enquanto a curvatura negativa pode causar a extinção desta. Na configuração de chama plana, os resultados mostram que a velocidade local da chama depende da taxa de crescimento das instabilidades. Estas crescem mais rapidamente em um valor específico de curvatura da chama relacionado ao comprimento de onda de perturbações iniciais. A chama plana em um domínio amplo mostra que as perturbações iniciais levam a um comportamento de propagação caótico onde a frente de chama é continuamente enrugada e composta por um espectro de pequenas cristas integradas em grandes comprimentos ondas semelhantes a dedos enrugados. Uma regressão linear feita com a correlação entre a curvatura local da frente de chama e a velocidade de consumo de combustível mostrou que o desvio da teoria de estiramento linear é menor para os pontos com curvaturas menores, enquanto para altos valores negativos, o desvio aumenta. A detonação do motor limita o desempenho e a eficiência de motores de ignição por centelha altamente comprimidos. O efeito do primeiro estágio de ignição na detonação do motor foi analisado usando um modelo quasi-dimensional. O modelo de chama CFM foi usado para modelar a combustão turbulenta e cinco modelos de cinética química reduzida foram aplicados ao processo de terminação da chama. Um motor CFR modificado, operando com duas misturas PRF, foi usado para testar a capacidade preditiva dos modelos e identificar as condições iniciais que levam à detonação. Embora os modelos de cinética química usados prevejam curvas de atraso de ignição semelhantes, eles não resultam nas mesmas previsões de detonação. Os resultados evidenciam a importância dos modelos químicos captarem corretamente o início da chama de baixa temperatura na região de NTC nos diagramas de atraso de ignição. Um mecanismo químico foi selecionado e então usado para identificar os tempos de atraso de ignição do primeiro e segundo estágio e sua dependência com a velocidade de rotação do motor e da taxa de compressão. Os resultados indicaram que a ignição de primeiro e segundo estágio se correlacionam de forma relativamente simples com a velocidade do motor e a taxa de compressão. Uma análise de sensibilidade evidenciou que apenas uma fração da química de baixa temperatura contribui para a ignição do primeiro estágio, e sua ocorrência determina o início da detonação do motor, sugerindo que a escolha de um aditivo inibidor do primeiro estágio pode atrasar a detonação nos motores de ignição por centelha. Além disso, foi investigada a formação e propagação de chama fria pré-misturada em condições relevantes de motores de combustão usando simulações numéricas diretas. O estudo forneceu informações físicas e químicas sobre as transições estruturais da chama e seus efeitos na velocidade da chama e no processo de autoignição. O efeito termo-físico foi avaliado parametricamente e os resultados mostram que, em condições transitórias, a temperatura tem um efeito menos significativo do que a pressão na velocidade da chama laminar. Para os casos simulados, a estrutura de chama dupla é substancialmente afetada pela pressão na qual o termo reativo se torna dominante à medida que a pressão aumenta. Ao contrário da chama quente, a frente fria mostrou que com o aumento da pressão, sua taxa de queima também aumenta, pois é estruturalmente mais dependente do termo reativo do que do termo difusivo. Uma investigação foi realizada para determinar o efeito das dimensões de um ponto quente sobre a inicialização e propagação de uma chama fria. O estudo mostrou que a inicialização da chama fria depende de um tamanho crítico para dar origem a uma frente fria. No entanto, uma vez que uma chama fria é iniciada, não é uma condição obrigatória que a química de baixa temperatura promova um processo de autoignição.

Abstract: Worldwide economic growth turns out to be a positive-sum of benefits where more people can access more goods and services. At the same time, the growth backbone relies on the increase in energy availability and consumption. One of the strategies to mitigate the anthropogenic effects of global climate change is reducing transportation emissions. While long-term change points to a larger use of electrification, green hydrogen, and biofuels, immediate action has focused on weight reduction and increasing vehicular efficiency. The advances in combustion technology are one of the components, and therefore, the thermodynamic efficiency of engines should be increased in order to decrease the emission of greenhouse gases and pollutants. This study focuses on the investigation of chemical, physical and transport properties of lean premixed flames, which are widely utilized in spark-ignition engines for automotive and in advanced gas turbine systems for power generation. In addition, traditional fuels such as gasoline surrogates and promising renewable fuels such as methane, dimethyl ether, and hydrogen are analyzed. The thesis uses numerical approaches to investigate flame ignition and propagation behavior at relevant engine conditions. The work is divided into two main parts. The first framework turns to study flame hydrodynamic and thermo-diffusivity effects of methane, dimethyl ether, and hydrogen flames. In the second part, the work focuses on the combustion process where low-temperature chemistry plays an essential role and is related to the engine knocking limit. The effects of flame instabilities, curvature, normal and tangential strains in the flame stretch rate and flame displacement speed were studied using DNS for canonical flames; slot burners, Bunsen and planar flames, for three different lean fuels/air mixtures, methane, DME and hydrogen. The correlation between flame speed and the Karlovitz?s number is similar for methane and DME. The mass fraction of hydrogen along the flame surface presents a strong deficiency in the positive curvature region and strong excess in the negative curvature region compared to the planar, adiabatic flame. The trend is observed not only in the position of the flame surface but also in the entire distribution along the normal direction. For hydrogen, the Bunsen flame shows that stretch-chemistry and diffusion interaction substantially modify the local burning rate for sufficient lean mixtures. Positively curved regions may burn more than twice the flat flame speed, while negative curvature may cause flame front extinction. In the planar flame configuration, the outcomes show that the local flame speed depends on the growth rate. The instabilities grow faster at a specific value of flame curvature related to the front wavelength. The planar flame in a broad domain shows that the initial perturbations lead to a chaotic flame behavior where the wrinkled front is composed of a range of small crests and trough-shapes geometries, formed transversally by great wavelengths made up of smaller ones. A linear regression, made with the correlation of curvature and consumption speed, showed that the deviation from the linear theory is lower for the smaller curved points, while for higher negative values, the deviation increases. Engine knocking limits the performance and efficiency of highly compressed, downsized, spark ignition engines. The effect of the first-stage ignition on the engine knocking was analyzed using a quasi-dimensional model. The standard coherent flame model is used for the turbulent combustion and five available reduced chemical kinetics models are applied to the end-gas process. A modified CFR engine, operating with two PRF mixtures, is used to test the predictive capacity of the models and to identify the onset conditions leading to knocking. Although the chemical kinetics models used predict similar ignition delay curves, they do not result in the same knocking predictions. The results evidence the importance that the chemistry correctly captures the start, from high to low-temperature, of the negative temperature coefficient region. The selected model is then used to identify the first and second-stage ignition delay times and their dependence on engine speed and compression ratio. The results indicate that the first and second-stage ignition correlate in a relatively simple form with engine speed and compression ratio. A sensitivity analysis evidences that only a fraction of the low-temperature chemistry contribute to the first-stage ignition, and its occurrence determines the onset of the engine knocking, suggesting that a choice of a first-stage inhibiting additive could delay knocking in SI engines. In addition, it was investigated the premixed cool flame formation and propagation at relevant combustion engines? conditions using DNS. The study provides physical and chemical insights into flame structural transitions and their effects on flame speed and the autoignition process. The results are focused on the impact of thermophysical properties under the flame speed and the structure of flames during the low-temperature chemistry. The thermophysical effect was parametrically evaluated and the results show that, at transient condition, the temperature has a less significant effect than the pressure on laminar flame speed. For cases simulated, the double flame structure is substantially affected by the pressure in which the reactive term becomes dominant as pressure is raised. Unlike the hot flame, the cool front showed that with the pressure raises, its burning rate also increases since it is structurally more dependent on the reactive term than the diffusive term. The hot spot size investigation shows that the cool flame initialization depends on a critical size to give rise to a cool front. However, once a cool flame is initiated is not a madatory condition that the low-temperature chemistry will promote an autoignition process since the active chemistry behind the front also showed a dependence on the hot spot size.