Soot modeling in flames and Large-Eddy Simulations of thermo-acoustic instabilities

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Énergétique et transferts JURY A. Trouvé P. Bruel J.B.W. Kok F. Dupoirieux T. Poinsot Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie Civil et Procédés Unité de recherche : CERFACS (réf : TH-CFD-11-123) Directeur(s) de Thèse : Bénédicte Cuenot, Gabriel Staffelbach Rapporteurs : Arnaud Trouvé, Pascal Bruel Présentée et soutenue par Ignacio HERNÁNDEZ VERA Le 14 décembre 2011 Titre : Soot modeling in flames and Large-Eddy Simulations of thermo-acoustic instabilities

  • problem solution

  • examinateur

  • rapporteur rapporteur

  • computational

  • test rig

  • air inlet

  • limousine test

  • hot flow

  • numerical tools


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Published 01 December 2011
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THESE


En vue de l'obtention du

DDOOCCTTOORRAATT DDEE LL’’UUNNIIVVEERRSSIITTÉÉ DDEE TTOOUULLOOUUSSEE

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Énergétique et transferts


Présentée et soutenue par Ignacio HERNÁNDEZ VERA
Le 14 décembre 2011

Titre :
Soot modeling in flames and Large-Eddy Simulations of
thermo-acoustic instabilities

JURY

A. Trouvé Rapporteur
P. Bruel Rapporteur
J.B.W. Kok Examinateur
F. Dupoirieux Examinateur
T. Poinsot Examinateur

Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie Civil et Procédés
Unité de recherche : CERFACS (réf : TH-CFD-11-123)
Directeur(s) de Thèse : Bénédicte Cuenot, Gabriel Staffelbach
Rapporteurs : Arnaud Trouvé, Pascal Bruel 2Table of Contents
Abstract / Resume 7
Acknowledgements 9
Preface 11
1 General introduction 13
1.1 Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Objectives of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
I Soot formation modeling in ames 19
2 Brief review of soot modeling 21
2.1 The challenges of soot modeling and simulation . . . . . . . . . . 21
2.2 State of the art of soot modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Review of application cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Methodology 25
3.1 Choice of the soot model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Numerical tools for soot modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Test cases 35
4.1 Non-radiative cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.1 Non-premixed ames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Premixed ames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Soot/gas/radiation coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Conclusions and perspectives I 55
5.1 on soot modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
34 TABLE OF CONTENTS
II LES of thermo-acoustic instabilities 59
6 Introduction 61
6.1 Theory and phenomenology of CI . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Numerical tools for CI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.1 Large Eddy Simulation for CI . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.2 Acoustic solver for CI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7 Con guration: the LIMOUSINE test rig 71
7.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2 Geometry and operating characteristics . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3 Measurement devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8 LES of the LIMOUSINE test rig 79
8.1 Computational parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.2 Presentation of simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.1 Simulations performed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.2 Computational ressources and cost . . . . . . . . . . . . . 85
8.3 Simulation 1: reference case for OP1 . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.1 Cold ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.2 Hot ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.4 Simulation 1.1: in uence of fuel inlet conditions . . . . . . . . . . 106
8.5 Sim 1.2: of air inlet . . . . . . . . . . 108
8.6 Simulations 1.3 and 1.4: in uence of mesh . . . . . . . . . . . . . 109
8.7 Simulation 1.5: in uence of adiabaticity . . . . . . . . . . . . . . 115
8.8 Sim 1.6: of radiative heat losses . . . . . . . . . 116
8.9 Simulation 2: in uence of the OP. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.10 Sim 3: of burner geometry . . . . . . . . . . . . 124
8.11 Comparison with experimental results . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.11.1 Version V.3 at OP1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.11.2 V V.3 at OP2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.11.3 Version V.2 at OP1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9 Conclusions and perspectives II 135
9.1 on LES of thermo-acoustic instabilities . . . . . . . . 135
9.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
References 150
Appendices 153
A The 1D code CAN2SOOT 153
A.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2 Derivation of the equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2.1 Soot model and simpli cations . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2.2 Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154TABLE OF CONTENTS 5
A.3 Numerical solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
A.3.1 Problem formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
A.3.2 solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1566 TABLE OF CONTENTSAbstract
In the rst part of the present PhD. thesis a methodology is presented that
allows to predict the soot produced in one-dimensional academic ames, where
a semi-empirical soot model is used in combination with a complex chemistry
and a detailed radiation solver. The methodology is applied to the computation
of soot in a set of ethylene/air counter ow di usion ames. Several oxidation
models are tested and the constants of the model were adjusted to retrieve the
experimental results. Also, the e ect of radiative losses on soot formation and
the ame structure is evaluated. Finally, the performance of the soot model is
evaluated on 1D premixed ames, where an alternative expression for the sur-
face growth term is proposed to better reproduce the experimental ndings.
In the second part of the thesis, Large-Eddy Simulation (LES) and acoustic
analysis tools are applied to the prediction of limit cycle oscillations (LCO) of a
thermo-acoustic instability appearing in a partially premixed methane/air aca-
demic burner operating at atmospheric pressure. The LES captures well the
appearance and development of the LCO and a good agreement is found be-
tween simulations and experiments in terms of amplitude and frequency of the
LCO. Some light is shed on the mechanisms leading to the existence of such
instability. Then, a preliminar uncertainty quanti cation (UQ) analysis is per-
formed, where the e ect on the features of the LCO of several computational
parameters such as the inlets impedances, mesh re nement or heat losses is as-
sessed. Also, the LES captures well the ame stability behaviour dependence
on the operating point and the burner geometry.
Keywords: Soot, radiation, combustion, Large-Eddy Simulation, acoustics,
thermo-acoustic instabilities, limit-cycles, heat losses.
78 TABLE OF CONTENTS
Resume
Dans la premiere partie de cette these de doctorat une methodologie est presentee
qui permet de predire les niveaux de suies produits dans des ammes lami-
naires monodimensionnelles, ou un modeele semi-empirique de suies est utilise
en combinaison avec une chimie complexe et un solveur radiatif detaille. La
methodologie est appliquee au calcul de suies dans une serie de ammes de
di usion a contre-courant d’ethylene/air. Plusieurs modeles d’oxydation de
suies sont testes et les constantes du modele sont ajustees a n de retrouver
un meilleur accord avec les experiences. L’e et des pertes thermiques radiatives
sur la formation de suies et la structure des ammes est evalue. Finalement,
la performance du modele de suies est evalue sur des ammes premelangees
monodimensionnelles, ou une expression alternative du terme de croissance de
surface est proposee pour reproduire les resultats experimentaux.
Dans la deuxieme partie de cette these, des outils de Simulation aux Grandes
Echelles (SGE) et d’analyse acoustique sont appliques a la prediction des osci-
llations de cycle limite (OCL) d’une instabilite thermo-acoustique qui appara^ t
dans un bruleur^ academique partiellement premelange de methane/air a pre-
ssion atmospherique. La SGE predit bien l’apparition et le developpement des
OCL est un bon accord est trouve entre simulations et experiences en termes
d’amplitude et frequence des OCL. La simulation permet de reveler certains
aspects cles responsables du comportement instable de la amme. Ensuite, une
analyse preliminaire de la quanti cation des incertitudes est fait, ou l’e et des
parametres tels que l’impedance des entrees, le degre de ra nement du maillage
ou les pertes thermiques sur les caracteristiques des OCL est evalue. Aussi, la
SGE predit bien la dependance de la stabilite de la amme du point d’operation
et de la geometrie du bruleur.^
Mots cles: Suies, rayonnement, combustion, Simulation aux Grandes Echelles,
acoustique, instabilites thermo-acoustiques, cycles limite, pertes thermiques.Acknowledgements
Remerciements / Agradecimientos
Tout d’abord je tiens a remercier les seniors du CERFACS : Benedicte Cuenot,
Thierry Poinsot et Laurent Gicquel, pour avoir su m’encadrer et pour partager
leurs connaissances, j’ai enormement appris pendant mes trois annees de these.
Likewise, I thank Professor Jim Kok and his team (Reddy, Juan Carlos, Mehmet,
Can, Santosh and Mina) for their warm welcome during my stay at the Univer-
sity of Twente in April 2011.
Ensuite, je voudrais remercier (par ordre chronologique) : Eleonore Riber, Oli-
vier Vermorel, Olivier Cabrit, Jorge Amaya, Marta Garc a, Benedetta Franzelli
(la reine de CANTERA !), Gabriel Sta elbach et Damien Poitou pour avoir
repondu a toutes mes questions (dont une partie non-negligeable s’averait, sans
doute, des b^etises !). Un remerciement special est adresse a Guillaume Lecocq,
pour m’avoir aide pendant les moments critiques de la these et pour garder foi
en moi quand je n’y croyais plus.
Je voudrais remercier (bien sur^ !) les collegues (et amis) du CERFACS (ou
d’ailleurs) avec lesquelles j’ai partage de belles et enrichissantes experiences
pendant ces trois dernieres annees, a savoir (par stricte ordre alphabetique) :
Alex, Anthony, Basti, David, Greg, Jean Baptiste, Jean Philippe, Logan (a.k.a.
Mr. BBQ ), Marina, Matthias, Nacho, Patricia, Sabrina, Stephan, Thomas et
Victor.
I also would like to thank the "Limousine crew\ for the great weekends spent
together in random cities around Europe: Bela, Patrick, Salvo, Sebastian, Har-
men, Basti, Can, Mehmet, Juan Carlos, Santosh, Mina, Roel, Thomas, Lukas,
Antonio and Simone.
Y por supuesto le agradezco a mis padres el apoyo brindado desde la distancia
que, sin duda, ha sido un factor clave en la nalizaci on de mi tesis.
Funding from the European Commission, within the Marie Curie Actions - Ini-
tial Training Networks, under call FP7-PEOPLE-2007-1-1-ITN, LIMOUSINE
project with number 214905, is gratefully acknowledged.
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