1,720,961 research outputs found
DropletSMOKE++: A comprehensive multiphase CFD framework for the evaporation of multidimensional fuel droplets
Full text linkThis paper aims at presenting the DropletSMOKE++ solver, a comprehensive multidimensional computational framework for the evaporation of fuel droplets, under the influence of a gravity field and an external fluid flow. The Volume Of Fluid (VOF) methodology is adopted to dynamically track the interface, coupled with the solution of energy and species equations. The evaporation rate is directly evaluated based on the vapor concentration gradient at the phase boundary, with no need of semi-empirical evaporation sub-models. The strong surface tension forces often prevent to model small droplets evaporation, because of the presence of parasitic currents. In this work we by-pass the problem, eliminating surface tension and introducing a centripetal force toward the center of the droplet. This expedient represents a major novelty of this work, which allows to numerically hang a droplet on a fiber in normal gravity conditions without modeling surface tension. Parasitic currents are completely suppressed, allowing to accurately model the evaporation process whatever the droplet size. DropletSMOKE++ shows an excellent agreement with the experimental data in a wide range of operating conditions, for various fuels and initial droplet diameters, both in natural and forced convection. The comparison with the same cases modeled in microgravity conditions highlights the impact of an external fluid flow on the evaporation mechanism, especially at high pressures. Non-ideal thermodynamics for phase-equilibrium is included to correctly capture evaporation rates at high pressures, otherwise not well predicted by an ideal gas assumption. Finally, the presence of flow circulation in the liquid phase is discussed, as well as its influence on the internal temperature field. DropletSMOKE++ will be released as an open-source code, open to contributions from the scientific community
A numerical framework for modeling evaporation and combustion of isolated, spherically-symmetric, multi-component fuel droplets
Full text linkThis paper presents a comprehensive numerical framework for simulating the evaporation and combustion of isolated, spherically-symmetric, multi-component fuel droplets. The framework incorporates a detailed description of chemical reactions in the gaseous phase and is capable of modeling pure evaporation, autoignition, and hot-wire ignition scenarios. The transport equations for mass, species, and energy are solved in both the liquid (droplet) and gaseous (surrounding atmosphere) phases. Diffusion in the liquid phase is described using the Stefan–Maxwell theory, while in the gaseous phase, both molecular and thermal diffusion are considered. The model also includes the thermophoretic effect for carbonaceous particles and accounts for gas radiation through various models, ranging from optically-thin approximations to more complex methods like the P1 and discrete ordinate methods. Non-gray radiative effects are handled using the Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model (WSGGM). Liquid/gas interface conditions are evaluated by imposing flux continuity of mass and energy, along with thermodynamic equilibrium for species. Deviations from ideal thermodynamic behavior in the liquid droplet are managed by incorporating a suitable activity coefficient or by using a proper cubic equation of state. Additionally, the presence of supporting fibers is modeled using a simplified one-dimensional approach. The transport equations are solved using the method of lines, with spatial discretization performed via the finite difference method on a body-fitted grid. The resulting system of Differential–Algebraic Equations (DAEs) is then solved using a fully-coupled approach. Thanks to its generality in terms of kinetic and thermodynamic descriptions and the reduced computational time, the proposed framework offers significant potential for advancing our understanding of the complex combustion processes of multi-component liquid fuels and for enhancing the planning and execution of experiments involving isolated fuel droplets
Flame extinction and low-temperature combustion of isolated fuel droplets of n-alkanes
No full textA numerical model describing the combustion of isolated fuel droplets in microgravity based on a detailed kinetic mechanism is presented. The role of the initial diameter of the droplet and the amount of oxygen on the gaseous atmosphere on radiative extinction and formation of stable cool flames around the droplet were studied. The squared critical diameter linearly increased with the mole fraction of oxygen in the atmosphere. While no significant differences in the critical diameters were observed for n-heptane and n-decane ithe inert species in the gaseous atmosphere played a major role promoting or inhibiting the tendency to radiative extinction. Predictions and experimental measurements showed good agreement showing that only droplets with an initial diameter larger than a critical diameter undergo radiative extinction
Evaporation of multicomponent fuel droplets in buoyancy driven convection
Full text linkIn this work, the evaporation process of multicomponent fuel droplets is analyzed, both from
an experimental and numerical point of view. The droplets are hanged on a thin thermocouple
against gravity and evaporated in natural convection regime, following the process by means of
high speed shadowgraphs. The experimental analyses were performed hierarchically, starting
from pure components (n-dodecane and n-hexadecane), then moving to their mixtures. The
numerical modeling is performed with the DropletSMOKE++ code, a comprehensive CFD
framework for the simulation of 3D evaporating droplets under gravity conditions. The
numerical results present a good agreement with the experimental data, especially if compared
with the same cased modeled in microgravity conditions. The difference evaporation rate is
analyzed as well as the different surface temperature, highlighting the important role of internal
and external convection on the evaporation process
Multiphase CFD model for the simulation of multicomponent evaporating droplets with liquid-phase kinetics
No full textLAUREA MAGISTRALENonostante il crescente interesse del mercato energetico per le fonti rinnovabili, nel breve periodo le fonti fossili continueranno ad essere necessarie per soddisfare l'attuale fabbisogno energetico. Inoltre, a causa della riduzione della disponibilità di petrolio greggio leggero, recentemente l'industria energetica ha mostrato la propensione ad aumentare gli investimenti per l'utilizzo di oli combustibili pesanti. Poiché la combustione in pressocché ogni processo industriale si svolge prevalentemente in fase gassosa, la caratterizzazione della transizione liquido-vapore riveste un ruolo cruciale per studiare la fattibilità dell'impiego su larga scala degli oli pesanti, presenti in natura in fase liquida. Questa transizione avviene tramite la formazione di spray, la cui dinamica è fortemente condizionata dalla comportamento della singola goccia. Di conseguenza, nonostante la sua semplicità, l'analisi una goccia isolata garantisce un'adeguata comprensione dei principali fenomeni fisici e chimici.
L'obiettivo di questa tesi consiste nella formulazione di un modello CFD per la simulazione della vaporizzazione della singola goccia multicomponente, includendo il contributo delle reazioni chimiche in fase liquida. Questo modello è stato impiegato per riprodurre il comportamento di gocce grandi (1-2 mm) sospese su una fibra, senza ipotesi di sfericità perfetta. Partendo da un modello pre-esistente basato sulla tecnica del Volume of Fluid (VoF), si include l'evaporazione di miscele liquide con un metodo innovativo per la soluzione delle equazioni di transporto delle specie con cambiamento di fase, che permette di introdurre le condizioni all'interfaccia liquido-vapore nelle equazioni di governo del sistema.La portata evaporante viene calcolata con un nuovo procedimento che permette di accoppiare i bilanci di massa ed energia all'interfaccia con le condizioni di equilibrio termodinamico. Inoltre, la cinetica in fase liquida è stata risolta facendo uso dell'operator-splitting viste le differenti scale temporali a cui avvengono i processi.
La validazione del codice è stata condotta attraverso una serie di simulazioni che impiegavano proprietà fisiche e chimiche costanti, per esaminare diversi aspetti del modello. In particolare, sono state verificate (i) la conservazione della massa durante la vaporizzazione e (ii) il fatto che le condizioni imposte all'interfaccia ottenute dalla risoluzione di un sistema non lineare portino all'equilibrio termodinamico del sistema. Questo ha confermato la validità e l'accuratezza del metodo usato per risolvere le equazioni delle specie. In seguito, per mostrare l'interazioni tra le diverse specie e la loro evaporazione preferenziale, la vaporizzazione di una goccia con tre componenti aventi tre diverse volatilità è stata simulata in assenza di gravità.
Una volta verificati gli aspetti numerici del modello, sono stati affrontati dei casi realistici con proprietà fisiche e chimiche variabili. Il modello viene utilizzato per la simulazione di una goccia sospesa di n-eptano che ha mostrato un soddisfacente accordo con dati sperimentali. Confrontando questi risultati con un modello 1D semplificato, che assume condizioni di simmetria sferica, sottolinea il bisogno di un modello dettagliato del processo. In seguito, il modello è stato impiegato per simulare l'evaporazione di gocce binarie, nello specifico miscele di n-eptano/n-esadecano e n-eptano/n-decano, che mostrano un comportamento completamente diverso dalle gocce pure. I risultati vengono analizzati, concentrandosi sulle circolazioni interne in fase liquida, che migliorano il trasporto di calore e di materia. Infine, è stata esaminata la capacità del modello di descrivere la formazione di nuove specie a seguito di reazioni chimiche in fase liquida, utilizzando una semplice reazione di secondo ordine, a due componenti.
In conclusione, si può affermare che il modello (i) è stato confrontato con successo con dati sperimentali, rispetto all'evaporazione della goccia monocomponente; (ii) riesce a descrivere l'evaporazione delle diverse specie, incluse quelle derivanti dalle reazioni chimiche in fase liquida.Despite the growing interest in renewable energy sources, in the near future the energy market will still be dependent on fossil fuels to satisfy the continuously rising energy demand. At the same time, due to the decrease in the availability of light crude oil, the combustion of heavy fuel oils has captured the interest of many industrial players. Since, in any industrial process, the combustion occurs in the gaseous phase, the characterization of the liquid-vapor transition is crucial to assess the feasibility of the large-scale utilization of liquid heavy fuel oils. This phase transition is favored by spray formation, whose combustion behavior largely depends on the one of the single droplets. Therefore, an isolated droplet is the simplest yet still scientifically meaningful configuration useful to clarify the relevant physical and chemical phenomena and to gauge their effect on the combustion process.
This thesis work proposes a multiphase CFD model to simulate the vaporization of isolated droplets with multiple chemical species that can react in the liquid phase. This model was used to simulate large droplets (1-2mm) suspended on a fiber, removing the hypotesis of perfectly spherical droplets. The starting point of this work is a CFD code developed in previous thesis works, based on the Volume of Fluid methodology. The existing model was extended in order to include the evaporation of liquid mixtures using an innovative method for the solution of the species equations with phase change, that allows to introduce the interface jump conditions in the governing equations of the system. The vaporization flowrate was computed using a novel methodology, which allows to couple the material and energy balances at the gas-liquid interface together with the thermodynamic equilibrium. Moreover, the liquid phase kinetics was included using an operator-splitting approach, due to the different time scale of transport and chemical phenomena.
Various benchmark cases were simulated using constant physical and chemical properties, to test different aspects of the model. In particular, two aspects were tested: (i) mass conservation during the vaporization process and (ii) the fact that the interfacial conditions, obtained by solving a non-linear system, bring the system to thermodynamic equilibrium. This confirmed the validity and the accuracy of the methodology adopted to solve the species equations. Then, to show the interplay among the species and their preferential evaporation, the vaporization of a droplet with three components having different volatilities was simulated in zero gravity conditions.
Once the numerical tests on the model were performed, the latter was used to simulated realistic cases with variable physical and chemical properties. A suspended droplet of n-heptane was simulated and compared with experimental data, showing good accordance between the two. The comparison with a simplified 1D model, that assumes a sphero-symmetrical droplet, highlights the need of a detailed description of the process. The model was then used to simulate the vaporization of binary droplets, specifically of mixtures of n-heptane/n-hexadecane and n-heptane/n-decane, that show a completely different behavior with respect to pure droplets. The results were compared and analyzed, highlighting the circulations occurring in the liquid phase, that enhance heat and mass transfer. Finally, the ability of the model to describe the formation of a new species due to chemical reaction in the liquid phase was tested using a simple, second order reaction involving two components.
In conclusion, the model (i) provides satisfactory results in the comparison with experimental data for pure droplets, and (ii) is able to describe the vaporization process of different species, even those that are formed due to chemical reactions
Soot thermophoresis in curved laminar flames
No full textIn this work, the formation and evolution of soot in a planar diffusion C2H2 flame have been numerically investigated, using the Discrete Sectional Method (DSM) for solid phase kinetics. The flame is wrapped up by a line vortex injected from the fuel side. Three regions have been identified in the vortex, based on the local values of curvature and scalar dissipation rate. The goal of this work is to numerically investigate the impact of thermophoresis in each region of the vortex, showing the different soot distribution and the effect of the flame curvature on the local thermophoretic velocity. It has been found that in flat regions, thermophoresis dominates over the convective flow in defining soot position, while in curved ones it is almost negligible, since soot is mainly transported by convection
Soot formation and evolution in a laminar diffusion flame perturbed by a line vortex. A focus on the impact of unsteady effects on complex chemistry
Full text linkLAUREA MAGISTRALELe tecnologie di combustione costituiscono al giorno d'oggi la principale via di produzione
energetica, estesamente sfruttata sia in ambito domestico che industriale. Negli
ultimi anni le emissioni inquinanti derivate da questi processi sono state sottoposte a
limiti di legge sempre più stringenti, in particolare per quanto riguarda specie chimiche
nocive quali NOx e il particolato carbonioso solido, noto come soot. E' richiesto quindi
uno sforzo ingegneristico notevole, volto alla progettazione di apparecchiature man
mano più so fisticate che da un lato devono essere in grado di soddisfare i limiti sulle
emissioni imposti, e dall'altro di mantenere alti gli standard di sicurezza, e fficienza e
affi dabilità richiesti.
Il conseguimento di questo obiettivo non è raggiungibile per sola via sperimentale. In
questo contesto l'utilizzo di strumenti di calcolo si è rivelato di estrema utilità ed è rapidamente diventato importante oggetto di ricerca della comunità scienti ca. Recenti
simulazioni numeriche dei fenomeni di combustione hanno permesso di comprendere
a fondo la fisica-chimica del problema, aprendo innumerevoli strade verso il miglioramento
del processo nella sua interezza. Queste simulazioni risultano però impegnative anche per i migliori calcolatori moderni.
L'ingente costo computazionale deriva dalle complesse geometrie solitamente adottate
(turbine, bruciatori industriali), dalle loro notevoli dimensioni e dalla modellazione di
una chimica di combustione estremamente dettagliata. Oltretutto, nella stragrande
maggioranza dei casi il processo avviene in condizioni turbolente, complicando ulteriormente il calcolo. Quest'ultimo aspetto è particolarmente delicato per quanto riguarda
la modellazione del soot. Le scale temporali di formazione di soot e di miscelazione
turbolenta non permettono il disaccoppiamento tra chimica e fl uidodinamica (che invece
è solitamente adottato per gli NOx), rendendo diffi cile una semplifi cazione del
problema da questo punto di vista. Anche in caso vengano usati metodi alternativi (RANS: Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations, LES: Large Eddy Simulation) alla ben nota complessità delle DNS (Direct Numerical Simulation), esistono ancora delle lacune teoriche nella conoscenza del regime turbolento che ancora non permettono di sviluppare sottomodelli nel contempo semplici, soddisfacenti e generali per i tipici processi di combustione. Anche quando ciò fosse possible, un confronto con delle DNS sarebbe comunque necessario per veri carne la validità rispetto a simulazioni dettagliate, le quali però sono caratterizzate dagli innumerevoli problemi sopracitati. Diversi approcci sono possibili. Innanzitutto si prendono in considerazione domini di calcolo molto ridotti (dell'ordine del centimetro), per evitare simulazioni pesanti e inutilmente
dettagliate per geometrie troppo estese. In secondo luogo si può semplifi care
la chimica del problema, sia riducendo lo schema cinetico adottato (schemi skeletal) che
cambiando totalmente approccio e prendendo in considerazione modellazioni chimiche
che esulano dalle singole reazioni elementari. Questo concetto applicato al soot porta
alla di fferenziazione tra Discrete Sectional Method (DSM) per quanto riguarda i metodi
dettagliati, e il Metodo dei Momenti (MOM) che descrive il particolato basandosi sulla
distribuzione di particelle di soot. L'implementazione di schemi cinetici ridotti in simulazioni turbolente è però in grado
di ridurre il potere predittivo del modello, specialmente nella risposta della formazione
di soot alla non-stazionarietà delle fi amme turbolente. Ci si pone quindi come obiettivo
la comprensione dell'impatto delle proprietà turbolente sulla chimica del soot,
raggiungibile lavorando su confi gurazioni sempli ficate.
L'idea principale è di studiare fi amme laminari, che sono scelte in modo tale da riprodurre le tipiche proprietà delle fi amme turbolente quali strain rate, curvatura e fluttuazioni.
La particolare confi gurazione scelta per questa Tesi consiste in una fi amma diff usiva laminare perturbata da una linea di vortice planare, simulando così eff etti di stretch sulla formazione ed evoluzione del particolato solido. Le condizioni laminari e la
geometria bidimensionale in gioco permettono l'adozione di schemi cinetici dettagliati
per la formazione di soot, garantendo un costo computazionale ridotto rispetto ad una
DNS turbolenta caratterizzata dallo stesso livello di dettaglio chimico. Il concetto di flame displacement è stato ampiamente usato nel presente lavoro di Tesi: basandosi sui valori assunti dalle grandezze siche chiave (strain rate, curvatura, stretch, ecc.), il vortice è stato diviso in tre regioni nelle quali la chimica del soot è analizzata in dettaglio. Il particolato è formato e trasportato attraverso tutto il vortice, per cui un'analisi Lagrangiana è stata introdotta per evidenziare la consequenzialità degli eventi chimici che contribuiscono alla sua formazione globale. Grazie a questo lavoro, si è osservato che la chimica del soot segue diversi percorsi a seconda della zona del vortice in cui si trova. Come ulteriore strumento di analisi sono state introdotte le soot Particle Size Distribution Functions (PSDF). Le fiamme di ffusive sono note per formare più soot di quelle premiscelate, e questo ha portato ad un innaturale accumulo
di grosse particelle nella PSDF di fi amme di ffusive. In questo lavoro si è evidenziato come la modellazione numerica delle PSDF richieda necessariamente un intervento
sullo schema cinetico del soot per applicazioni in sistemi non premiscelati.
La fisica-chimica del vortice è anche infl uenzata da termoforesi e di ffusione materiale delle particelle di soot. Il loro e ffetto è anch'esso oggetto di investigazione numerica così come la relativa distribuzione spaziale del particolato nel vortice. Si è visto che la termoforesi ha importanze di fferenti a seconda delle regioni del vortice interessate, mentre la variazione sulla di ffusività del soot risulta in un e ffetto più omogeneo. Si è evidenziato in fine come questi fenomeni non modi fichino direttamente le velocità di reazione locali, ma solo tramite lo spostamento delle particelle di soot. Gli IPA (Idrocarburi Policiclici Aromatici) rappresentano uno step necessario per la formazione di soot e sono noti per essere molto sensibili alla curvatura della fiamma.
Questa importante interazione è stata studiata analizzando lo scambio termico tra il
fronte di fiamma e la regione di produzione di soot. Un modello teorico-analitico è
stato proposto per elucidare l'impatto della curvatura e dello scalar dissipation rate sul
meccanismo di scambio termico locale. Tre regimi fluidodinamici sono stati identifi cati,
in funzione della velocità di flame displacement .Combustion technologies represent nowadays the principal way of energy production,
widely used for both domestic and industrial applications. In the last years, law limits
regarding pollutant emissions have become more and more stringent, in particular concerning
dangerous chemical species like NOx and solid particulate, known as soot. A strong e ffort is therefore required, directed toward the design of sophisticated devices able to satisfy the assigned law limits, maintaining at the same time high standards of safety, e fficiency and reliability. This goal cannot be achieved by the sole experimental activity. Lately, also computational tools have been extremely useful for this purpose and their use has become an
important research subject of the scientifi c community. Recent numerical simulations
of combustion phenomena have played a key role in the thorough comprehension of
the physical and chemical aspects of the problem, leading to the improvement of the
global process. However, these simulations are very demanding even for modern calculators. The high computational cost is caused by the complex geometries usually adopted (turbines,
industrial heaters) and their signi ficant dimension, and by the necessity to model extremely detailed chemistries. Moreover, in most cases the process occurs in turbulent
conditions and this further complicates the computation. This latter aspect is particularly
important for soot modeling. The temporal scales concerning soot formation and
turbulent mixing do not allow the decoupling between chemistry and fl uid dynamics
(as it is usually done for NOx), making a direct simpli fication of the problem to be
di fficult. On the other hand, if alternative methods are used (RANS: Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations, LES: Large Eddy Simulations) to avoid the complexity of DNS
(Direct Numerical Simulations), turbulent regimes are still too poorly understood to
develop concurrently simple, predictive and general sub-models for typical turbulent
combustion processes. Moreover, a comparison with DNS would be needed anyway to assess their validity with respect to detailed simulations, which are a ffected by the aforementioned issues. Di fferent approaches are available. First of all only small computational domains are usually adopted ( cm) to avoid uselessly detailed simulations for too large geometries.
The chemistry detail can be also modifi ed, performing a proper scheme reduction (skeletal
schemes) or totally changing the approach and considering chemical models which do not account for elementary reactions. This concept applied on soot chemistry leads to the Discrete Sectional Method (DSM) concerning detailed simulations, and to the Method Of Moments (MOM), which describes the solid particulate considering the soot particle distribution. The drawback is that the implementation of simpli fied mechanisms in turbulent simulations
can lead to a reduction of the predictive power of the mathematical model, especially regarding the response of soot chemistry to the unsteadiness of turbulent fl ames. It is therefore very important to understand the impact of turbulent quantities
on soot formation and this goal can be only achieved on simplifi ed confi gurations.
The main idea is to focus on laminar flames, which are conveniently chosen to mimic
the main features of the turbulent regime such as strain rate, curvature and fl uctuations.
The particular con guration chosen in this Thesis consists in a planar laminar
di ffusion fl ame wrapped up by a line vortex, mimicking strain rate and curvature e ffects
on soot formation and evolution. Laminar conditions and the bi-dimensional geometry
involved allow the adoption of a detailed kinetic mechanism for soot formation, ensuring
a reduced computational cost if compared with a chemically equivalent DNS. The fl ame displacement velocity approach has been used: based on the local values
of the aforementioned physical quantities, the vortex has been divided in three
main regions where the soot chemistry is deeply investigated. Since soot particles
travel throughout these three zones of the vortex, a Lagrangian approach has been
introduced for a better understanding of the consequentiality of the chemical events
which contribute to the global soot formation. Thanks to this analysis, soot is found
to follow di fferent chemical paths depending on the region of the vortex where the
soot particles travel. In order to further support the results, soot particle distributions (PSDF) have also been adopted. Di ffusion flames are known to produce more soot than premixed ones, leading to a non-physical accumulation of large particles in PSDF of
non-premixed systems. In this work it has been evidenced how the numerical modeling
of PSDF necessarily requires an intervention on soot kinetic mechanism for diff usion
flames applications. Soot chemistry is also dependent on thermophoresis and soot material di ffusion. The e ffects of these important phenomena have been numerically analyzed and the soot distribution in the vortex layer is found to be heavily in fluenced by them. Thermophoresis plays diff erent roles depending on the vortex region, whereas soot diff usivity homogeneously aff ects soot position. It has been evidenced that both of them do not modify
directly local soot formation rates, but only through soot particles movement. PAHs (Polyciclic Aromatic Hydrocarbons) represent a necessary step for soot formation,
and they are known to be very sensitive to the ame curvature. This interaction
has been investigated accounting for the heat transfer between a curved flame front
and the rich sooting region. An analytical-theoretical model has been proposed to
explain the roles of curvature and scalar dissipation rate on the heat transfer mechanism.
Three fluid dynamic regimes are identifi ed based on the values of the flame
displacement velocity
An interface-resolved methodology for the evaporation and combustion modeling of isolated fuel droplets
Full text linkDOTTORATOI flussi multifase sono largamente utilizzati per la generazione di energia (motori a combustione interna, turbine a gas, bruciatori industriali), grazie alla loro elevata densità energetica. La combustione di un liquido è generalmente iniziata da un processo di atomizzazione, trasformando il liquido in uno spray, seguita dalla vaporizzazione del combustibile, l' ignizione e la combustione in fase gas. Il miglioramento e il controllo di un sistema spray non è solo vantaggioso dal punto di vista economico, ma impatta in modo significativo l'efficienza in termini di emissioni inquinanti. A causa dell'intrinseca complessità degli spray, le simulazioni numeriche giocano un ruolo fondamentale nello studio e ottimizzazione di questi sistemi, rivelando meccanismi e dettagli fisici spesso non visualizzabili sperimentalmente. L'evaporazione collettiva di un insieme di goccioline influenza direttamente la velocità di conversione dell'energia e, in ultima analisi, le prestazioni della camera di combustione. La più semplice, ma fisicamente significativa configurazione estraibile da un sistema spray è rappresentata da una goccia isolata: questo permette di mettere da parte i fenomeni di interazione fisica tipici dei flussi bifase dispersi (breakup, coalescenze, frammentazioni etc.), ottenendo un sistema ideale per l'analisi dell'evaporazione, ignizione e combustione di combustibili liquidi. Le gocce isolate sono principalmente studiate assumendo una simmetria sferica del sistema, per semplificare la modellazione matematica, lasciando spazio ad un maggior dettaglio dal punto di vista chimico: questo approccio ha permesso di studiare in dettaglio fenomeni fondamentali della combustione in microgravità, come fiamme fredde, ignizioni multiple e regimi di estinzione. L'inconveniente principale è che la convezione, la circolazione interna, le deformazioni dell'interfaccia e altri importanti fenomeni non possono essere descritti, nonostante il loro ruolo fondamentale nell'evaporazione di gocce. Questo lavoro di tesi mira ad affrontare questi problemi, con lo sviluppo di un modello di combustione di una gocciolina isolata basato su un approccio interface-resolved, cioè includendo nel modello la soluzione dei campi di velocità e il trasporto dell'interfaccia, abbandonando l'ipotesi di simmetria sferica. La principale novità del lavoro è l'estensione di questo modello fluidodinamico bifase per includere (i) i fenomeni di scambio termico e materiale basati sulla soluzione dello strato limite (senza quindi l'utilizzo di correlazioni), (ii) una descrizione dettagliata della termodinamica all'interfaccia, (iii) combustibili multicomponente, (iv) il passaggio di fase, (v) la combustione in fase gas e (vi) l'interazione termica con la fibra. Il codice risultante è chiamato DropletSMOKE++, concepito per la modellazione dell'evaporazione e combustione di gocce di combustibile in regime di convezione esterna. DropletSMOKE++ presenta un ottimo accordo con i dati sperimentali in un ampio spettro di condizioni operative, sia in convezione naturale che forzata. Il confronto con i dati in microgravità evidenzia l'impatto della convezione esterna sul meccanismo di evaporazione, mentre la non-idealità della termodinamica si è rivelata fondamentale per modellare sistemi ad alta pressione o gocce multicomponente. L'analisi della combustione è riportata in termini di diametro di fiamma, temperatura massima, circolazione interna e condensazione di acqua. L'accordo con i dati sperimentali è soddisfacente per quanto riguarda i profili temporali del diametro, della temperatura e della sensitività all'ossigeno in fase gas. In particolare, l'approccio multiregione è essenziale per descrivere lo scambio termico tra la fibra e il fluido bifase, il quale incrementa la velocità di combustione e causa il parziale spegnimento della fiamma vicino alla superficie solida. Uno degli aspetti più critici nella modellazione CFD di gocce è la tensione superficiale, a causa della presenza di velocità artificiali (spurious currents) che destabilizzano l'interfaccia. DropletSMOKE++ è esteso per includere una metodologia accurata per la tensione superficiale, ovvero una combinazione di Ghost Fluid Method (GFM) e Height Functions (HF). Il metodo è in grado di ridurre significativamente queste correnti, permettendo simulazioni numeriche stabili. Risultati accurati sono stati ottenuti per altri casi test, come gocce in movimento uniforme, oscillazioni capillari, bolle immerse in un liquido e gocce sospese.Multiphase flows are extensively used for power generation (e.g. internal combustion engines, gas turbines, industrial burners), due to the high energy density of liquid fuels. The combustion of a liquid is generally carried out through an atomization process, transforming the liquid in a spray of droplets, followed by the fuel vaporization, ignition and gas-phase combustion. The improvement and control of a spray system is not only beneficial from an economical point of view, but it significantly impacts its efficiency in terms of pollutants emission. The collective vaporization of the droplets ensemble directly influences the burning rate and the combustion chamber performance. The simplest and physically meaningful configuration we can extract from a spray system is represented by an isolated droplet: this allows to put aside the physical interaction phenomena typically involved in gas-liquid dispersed flows (breakups, coalescence, fragmentation etc.), obtaining an ideal system for the analysis of vaporization, ignition and combustion of liquid fuels. Isolated droplets are mainly studied assuming a spherical symmetry of the system in order to simplify the mathematical modeling and leave room for a more detailed chemistry description: this approach paved the way for the study of crucial aspects related to microgravity combustion, such as cool flames, multiple ignitions and extinction regimes. The main drawback is that external convection, internal circulation, interface deformations and other essential phenomena cannot be described, despite their fundamental role in droplet vaporization. This work aims at addressing these issues, proposing and discussing a numerical model for the combustion of isolated droplets based on an interface-resolved approach, i.e. including momentum equations for the velocity field and the advection of the fluid interface, abandoning the sphero-symmetric hypothesis. The main novelty is the extension of the two-phase fluid dynamic core to include (i) heat and mass transfer rates based on the resolution of the boundary layer (without the use of semi-empirical correlations), (ii) a detailed treatment of thermodynamics at the interface, (iii) multicomponent fuels, (iv) the phase-change process, (v) the gas-phase combustion and (vi) the thermal interaction with the suspending fiber. In addition, one of the main critical problems in the CFD modeling of evaporating droplets is the numerical treatment of surface tension, due to the persistent presence of an artificial velocity field (spurious currents) which destabilizes the interface. In this work this problem has been approached introducing (vii) a suspending force, directed towards the droplet center, which stabilizes the droplet against gravity and eliminates the spurious currents instabilities.
The resulting code is called DropletSMOKE++ and it shows a very good agreement with the experiments in a wide range of operating conditions, both in natural and forced convection. The comparison with the microgravity condition highlights the impact of the external fluid flow on the evaporation mechanism, while non-ideal thermodynamics is shown to be fundamental to model high pressure systems and multicomponent droplets. The analysis of droplet combustion is reported in terms of standoff ratio, flame temperature, internal circulation and water condensation, exhibiting a satisfactory agreement with experiments in terms of diameter decay, temperature profiles and sensitivity to the gas-phase oxygen concentration. In particular, the multiregion approach is shown to be essential to describe the conjugate heat transfer between the solid fiber and the fluid phase, which enhances the burning rate and causes a partial quenching of the flame close to the wall. Finally, the problem of spurious currents has been approached in a more rigorous way: DropletSMOKE++ is extended to include a stable and accurate methodology for surface tension, based on a combination of the Ghost Fluid Method (GFM) and Height Functions (HF). The method is able to reduce spurious currents almost to machine accuracy and accurate results are obtained for additional cases such as translating droplets, capillary oscillations, rising bubbles, sessile droplets and suspended droplets.DIPARTIMENTO DI CHIMICA, MATERIALI E INGEGNERIA CHIMICA "GIULIO NATTA"32CAVALLOTTI, CARLO ALESSANDROFRASSOLDATI, ALESSI
Multicomponent droplet evaporation in a geometric volume-of-fluid framework
No full textThis work proposes an innovative model for multicomponent phase change in interface-resolved simulations. The two-phase system is described by a geometric Volume-Of-Fluid (VOF) approach, and considers multiple components in non-isothermal environments, relaxing the hypothesis of pure liquid droplets usually studied in the literature. The model includes the Stefan flow and implements the following solutions for the complications that arise when studying liquid mixtures: i) a coupled approach for solving the interface jump conditions; ii) a proper strategy to obtain a liquid velocity for the advection of the volume fraction field, also applicable to static droplets with strong density ratio; iii) and a geometric approach to discretize the scalar fields transport equations. This model was implemented in the open-source code Basilisk, and it was tested on a number of benchmark phase change problems, such as the fixed flux evaporation, the Stefan problem, Epstein Plesset, and the Scriven problem. These test cases demonstrate the convergence of the numerical methods to the analytical solutions. More complex configurations, such as multicomponent isothermal and non-isothermal droplets are compared using numerical benchmark solutions obtained assuming spherical symmetry. The code, as well as the simulation setups, are released on the Basilisk website, making it the first model and open-source implementation of multicomponent phase change in a VOF framework
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