Towards Direct Numerical Simulation of a Low-Swirl Laboratory Turbulent CH4/H2 Flame Impinging on an Inclined Wall

La transition vers des carburants à faibles émissions de carbone est sans doute le sujet le plus recherché dans la communauté de la combustion de nos jours. L’hydrogène s’est révélé très prometteur pour son utilisation dans les turbines à gaz destinées aux secteurs de la production d’électricité et des transports. Dans les turbines à gaz, les flammes subissent des interactions complexes avec les parois de la chambre de combustion, qui ont un impact sur le rendement du moteur et les émissions polluantes. Ces interactions, qui ont lieu à l'échelle microscopique, ne sont pas bien comprises et ne sont pas bien prises en compte dans les logiciels de simulation commerciaux. L'objectif de ce projet est de résoudre de telles interactions jusqu'aux plus petites échelles pertinentes, grâce à la simulation numérique directe (DNS). Plus précisément, une configuration est établie pour effectuer une DNS d'une flamme de laboratoire de CH$_{4}$/H$_{2}$ prémélangée, pauvre et à faible tourbillon frappant un mur incliné. L'accent est mis sur trois aspects : 1) les conditions aux limites des flux entrants, 2) les exigences de résolution de la couche limite pour le solveur utilisé, et 3) les résultats préliminaires, sous-résolus. Un défi majeur concernant la simulation d’une flamme en laboratoire consiste à prescrire les bons profils d’entrée. Deux approches ont été testées. La première approche consiste à utiliser les profils mesurés expérimentalement pour la moyenne et la variance des trois composantes de vitesse à la sortie de l'injecteur comme débit entrant. Les fluctuations de vitesse turbulente sont superposées à l'aide d'un spectre modèle. Dans la deuxième approche, une simulation auxiliaire de type LES (simulation aux grandes échelles) de l’écoulement à l'intérieur de l'injecteur a été utilisée pour prescrire l'écoulement entrant pour la simulation principale. Les résultats de la deuxième approche ont montré, dans un écoulement non réactif, un meilleur accord avec les résultats expérimentaux et ont donc été choisis comme écoulement entrant pour la simulation principale de l'interaction flamme-paroi. Ensuite, une série de DNS est effectuée sur des couches limites thermiques turbulentes non réactives pour évaluer la résolution requise pour résoudre la couche limite turbulente formée sur la paroi inclinée dans la simulation réactive. Trois ensembles de simulations sont effectués en utilisant différentes résolutions au niveau du mur, et il est montré qu'avoir $y^{+} \approx 1.4$ sur la première cellule est suffisant pour obtenir des résultats indépendants du maillage en termes de statistiques du premier et du deuxième ordre. Enfin, la simulation réactive de la flamme tourbillonnante interagissant avec le mur est réalisée et des résultats préliminaires sous-résolus sont présentés. Un bon accord en termes de hauteur et de position de décollage de la flamme est observé entre la simulation et l'expérience. Un gros nuage de formaldéhyde est observé dans le domaine. Ceci est attribué à richesse localement réduite et à un taux de déformation élevé qui entraînent une combustion incomplète et des espèces intermédiaires non brûlées. Un flux de chaleur important vers le mur a également été observé. Avec la confiance apportée par les résultats de cette thèse, la résolution sera ensuite augmentée au niveau DNS.

Abstract

Transitioning to low-carbon fuels is arguably the highest sought-after topic in the combustion community nowadays. Hydrogen has shown good promise for usage in gas turbines for the power generation and transport sectors. In gas turbines, flames undergo complex interactions with the combustor walls, which impact engine efficiency and pollutant emissions. These interactions, which take place at the microscale, are not well understood and are not well accounted for in commercial simulation software. The aim of this project is to resolve such interactions down to the smallest relevant scales, through direct numerical simulation (DNS). Specifically, a setup is established to perform a DNS of a laboratory premixed, lean, low-swirl CH$_{4}$/H$_{2}$ flame impinging on an inclined wall. The emphasis is put on three aspects: 1) inflow boundary conditions, 2) boundary layer resolution requirements for the solver used, and 3) preliminary, under-resolved, results. A major challenge regarding simulating a laboratory flame is prescribing the right inflow profiles. Two approaches have been tested. The first approach consists of using the experimentally measured profiles for average and rms of the three velocity components at the nozzle outlet as the inflow. Turbulent velocity fluctuations are superimposed using a model spectrum. In the second approach, an auxiliary large eddy simulation of the nozzle flow has been used to prescribe the inflow for the main simulation. Results in a non-reactive environment from the second approach showed better agreement with the experimental results, and hence it was chosen as the inflow for the main flame-wall interaction simulation. Next, a series of DNS are performed on non-reactive, turbulent thermal boundary layers to assess the required resolution to resolve the turbulent boundary layer formed on the inclined wall in the reactive simulation. Three sets of simulations are performed using different resolutions at the wall, and it is shown that having $y^{+} \approx 1.4$ on the first cell is enough to obtain grid independent results in terms of first and second order statistics. Finally, the reactive simulation of the swirl flame interacting with the wall is performed and preliminary, under-resolved results are presented. Good agreement in terms of flame lift-off height and position is observed between the simulation and the experiment. A large cloud of formaldehyde is observed in the domain. This is shown to be attributed to locally reduced equivalence ratio and high strain rate which result in incomplete combustion and unburned intermediate species. Large amount of heat flux to the wall was also observed. With the confidence provided by the results in this thesis, resolution will next be increased to DNS level.