Modelització de combustió multirègim en simulacions numèriques d'alta fidelitat de fluxos de reacció

La recerca per reduir les emissions de carboni ha donat lloc a l'ús de combustibles alternatius i sistemes de combustió. La indústria de l'aviació presenta reptes únics a causa de la necessitat de combustibles d'alta energia, amb els combustibles electrònics i l'hidrogen entre els primers candidats per facilitar la neutralitat neta de carboni. Amb aquesta finalitat, les simulacions LES de fluxos turbulents de reacció han sorgit com a eines clau de disseny i anàlisi. Capturar les complexitats de les configuracions realistes del cremador planteja un problema multi-escala i multifísica. Les complexitats de flux inherents i els sistemes multicombustible sovint donen lloc a sistemes pràctics que operen en combustió multirègim, una conseqüència de la falta d'homogeneïtat de la mescla que promou una resposta complexa de velocitats de combustió i formació de contaminants. Per tant, és fonamental que els models de fluxos de reacció captin aquesta resposta complexa. La combustió es pot resoldre mitjançant una varietat de mètodes que equilibren la generalitat i el cost computacional. Els mètodes químics de velocitat finita són els més generals, però també són prohibitius, mentre que els mètodes basats en múltiples ofereixen una opció factible però amb una generalitat limitada. Aquest estudi aborda el problema de la combustió multirègim des d'ambdues perspectives i avança l'estat de l'art actual en aquests mètodes.

L'acceleració en el solucionador FRC s'aconsegueix centrant-se en la tasca computacionalment més costosa: 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 la química, es presenta una nova química adaptativa dinàmica (TRAC), que es basa en la tabulació dinàmica de reaccions en un espai de varietat d'ordre baix. El TRAC s'analitza en problemes de combustió canònica, on es va aconseguir una acceleració al voltant del 30% amb una pèrdua insignificant de precisió. Malgrat els guanys en el rendiment computacional, la descripció completa dels fluxos de reacció turbulents en el límit dels recursos computacionals actuals és inviable, això condueix naturalment a l'altra faceta de l'estudi, que és incloure la generalitat en mètodes basats en múltiples.

Pel que fa als mètodes basats en múltiples, es van analitzar dues estratègies, a saber, la flameta multirègim i el model de combustió multimode. Els models es van provar en problemes de referència 1-D i 2-D, on el mètode de combustió multimode excel·leix en fluxos altament estratificats. Tot i que, per a fluxos baixos i moderadament estratificats, ambdós mètodes mostren una millor predicció que els mètodes múltiples convencionals. El model de combustió multimodel s'aplica al cremador multirègim (MRB), on reprodueix estadístiques globals i condicionals de flama.

En conjunt, els objectius de realitzar una combustió multirègim a diversos nivells de complexitat es van assolir mitjançant les diferents estratègies estudiades. Finalment, es donen observacions finals sobre la usabilitat dels mètodes en el context de l'escenari actual d'HPC.