Development of virtual kinetics chemistry for the prediction of ignition delay time of a fuel presenting negative temperature coefficient behavior

Abstract

A simulação de escoamentos reativos complexos em aplicações com combustão geralmente requer uma grande quantidade de poder computacional, e a parte reativa da solução é geralmente a que consome o maior tempo. Mecanismos detalhados de cinética química podem conter mais de dezenas de milhares de espécies químicas, enquanto que simulações numéricas de escoamentos reativos complexos estão limitadas a mecanismos cinéticos com, no máximo, algumas centenas de espécies. Mecanismos virtuais aparecem como uma estratégia muito eficiente para reduzir drasticamente o tempo computacional na parte reativa das simulações numéricas. Tais mecanismos são formados por espécies e reações químicas artificiais, as quais são otimizadas para reproduzir as características importantes de um problema canônico de interesse. Esta tese apresenta o desenvolvimento de mecanismos virtuais para reproduzir a evolução da temperatura e o tempo de atraso de ignição para a ignição térmica em um reator homogêneo, adiabático, com massa e pressão constantes de uma mistura ar-combustível. O desenvolvimento dos mecanismos virtuais de ignição térmica foi feita em duas etapas: a primeira para a ignição térmica em alta temperatura e a segunda para a ignição térmica em temperaturas baixas e intermediárias de uma mistura com NTC. Para a primeira etapa, modelou-se a ignição térmica de uma mistura de metano e ar, com condições inicias de temperatura de 1000 K à 1500 K e pressões de 1 atm até 3 atm. Para a segunda etapa, modelou-se uma mistura de n-heptano e ar, com temperaturas de 600 K até 1500 K, em pressão atmosférica. A primeira etapa apresenta algumas limitações ligadas, sobretudo, ao limitado número de reações e consequentemente parâmetros do mecanismo virtual. A segunda etapa resolve algumas dessas limitações enquanto que, ao mesmo tempo, aumenta a aplicabilidade da metodologia. Ainda que os erros observados nos atrasos de ignição para os mecanismos virtuais aqui desenvolvidos sejam relativamente elevados, mecanismos reduzidos através de técnicas mais comuns, como DRG, caso produzissem mecanismos com tamanhos similares, apresentariam erros muito superiores. A redução de tempo computacional na simulação com mecanismos reduzidos atinge valores até 1300 vezes.

Abstract: The simulation of complex reactive flows in combustion applications generally requires a large amount of computational power, and the reactive part of the solution is usually the most time consuming. Detailed chemical kinetics mechanisms can reach up to tens of thousands species, while numerical simulations of complex reactive flows can handle mechanisms, at most, with a few hundred species. Virtual kinetic mechanisms are a very effective strategy to drastically reduce the computational time spent in the reactive part of numerical simulations. They are formed by artificial species and reaction paths, that are optimized to reproduce the important characteristics of a canonical problem of interest. This thesis presets the development of virtual mechanisms able to reproduce the temperature evolution and ignition delay times of the thermal ignition of a homogeneous, constant mass, constant pressure, adiabatic, fuel-air mixture reactor. The results are divided into two sections: the first one being related to methane-air mixture over a range of temperatures from 1000 K to 1500 K and pressures from 1 atm to 3 atm as a way to test the methodology developed. The second section presents an expansion to the methodology to cover complex fuel behaviors, such as the NTC, using a n-heptane-air mixture tested over a range of temperatures from 600 K to 1500 K and atmospheric pressures. The first section present some limitations of the most due to the small number of reactions and parameters of the kinetic model. The second section address some of those issues while further improving the virtual mechanism methodology applicability. The current IDT errors observed, although having large values, are much smaller than reduced mechanism produced with common strategies such as DRG of the same size.