Modelado de combustión multirregimen en simulaciones numéricas de alta fidelidad de flujos reactivos

La búsqueda de reducir las emisiones de carbono ha llevado al uso de combustibles alternativos y sistemas de combustión. La industria de la aviación presenta desafíos únicos debido a la necesidad de combustibles de alta energía, con combustibles electrónicos e hidrógeno entre los primeros candidatos para facilitar la neutralidad neta de carbono. Con este fin, las simulaciones LES de flujos de reacción turbulentos han surgido como herramientas clave de diseño y análisis. Captar las complejidades de las configuraciones realistas de quemadores plantea un problema multiescala y multifísica. Las complejidades inherentes del flujo y los sistemas multicombustible a menudo dan como resultado sistemas prácticos que operan en combustión multirégimen, una consecuencia de la falta de homogeneidad de la mezcla que promueve una respuesta compleja de las tasas de combustión y la formación de contaminantes. Por lo tanto, es fundamental que los modelos de flujos de reacción capten esta respuesta compleja. La combustión se puede resolver utilizando una variedad de métodos que equilibran la generalidad y el costo computacional. Los métodos de química de tasa finita son los más generales pero también prohibitivamente costosos, mientras que los métodos basados ​​en colectores ofrecen una opción factible pero con generalidad limitada. Este estudio aborda el problema de la combustión multirregimen desde ambas perspectivas y avanza en el estado actual de la técnica en estos métodos.

La aceleración en el solucionador FRC se logra centrándose en la tarea más costosa desde el punto de vista computacional: la integración química. La estrategia doble reduce la química y utiliza solucionadores que aprovechan la reducción. Después de discutir brevemente los métodos de reducción química, se presenta una nueva química adaptativa dinámica (TRAC), que se basa en la tabulación dinámica de reacciones en un espacio de variedad de orden bajo. TRAC se analiza en problemas de combustión canónica, donde se logró una aceleración de alrededor del 30 % con una pérdida insignificante de precisión. A pesar de las ganancias en el rendimiento computacional, la descripción completa de los flujos de reacción turbulentos en el límite de los recursos computacionales actuales es inviable, esto conduce naturalmente a la otra faceta del estudio, que es incluir la generalidad en los métodos basados ​​en variedades.

En cuanto a los métodos basados ​​en colectores, se analizaron dos estrategias, a saber, el modelo de combustión multirrégimen y el modelo de combustión multimodo. Los modelos se probaron en problemas de referencia 1-D y 2-D, donde el método de combustión multimodo se destaca en flujos altamente estratificados. Sin embargo, para flujos bajos y moderadamente estratificados, ambos métodos muestran una mejor predicción que los métodos de colectores convencionales. El modelo de combustión multimodelo se aplica al quemador multirrégimen (MRB), donde reproduce estadísticas de llama globales y condicionales.

En general, los objetivos de lograr una combustión multirrégimen en varios niveles de complejidad se lograron utilizando las diferentes estrategias estudiadas. Por último, se ofrecen comentarios finales sobre la usabilidad de los métodos en el contexto del escenario actual de HPC.