Reduction of Complexity in Combustion Thermochemistry - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Reduction of Complexity in Combustion Thermochemistry

Réduction de la complexité de la cinétique chimique et de combustion

Americo E Cunha Jr

Résumé

The development of computational models for the numerical simulation of chemically reacting flows operating in the turbulent regime requires the solution of partial differential equations that represent the balance of mass, linear momentum, chemical species and energy. Moreover, the chemical reactions of the model may require a detailed reaction mechanism for the description of the physicochemical phenomena involved. One of the biggest challenges is the stiffness of the numerical simulation of these models and the nonlinear nature of species rate of reaction. This dissertation presents an overview of the main techniques available in the literature for the development of reduced models of chemical kinetics, particularly for the combustion, as well as the techniques for efficient computation of the chemically reacting flows models. After a presentation of the associated mathematical formulation, the methodology dubbed in situ adaptive tabulation (ISAT) is implemented and its accuracy, efficiency and memory usage are evaluated in the simulation of homogeneous stirred reactor models. The combustion of carbon monoxide with oxygen and methane with air mixtures is considered, which detailed reaction mechanisms involve 4 and 53 species, 3 and 325 reactions respectively. The results of these simulations indicate that the development implementation of the ISAT technique has a absolute global error of less than 1%. Moreover, the ISAT technique provided gains, in terms of computational time, of up to 80% when compared to the direct integration of the full chemical kinetics. However, in terms of memory usage the present implementation of ISAT technique was found to be excessively demanding.
Le développement de modèles informatiques pour la simulation numérique des flux de réaction chimique opérant dans le régime turbulent nécessite la solution d'équations différentielles partielles qui représentent l'équilibre de la masse, l'élan linéaire, les espèces chimiques et l'énergie. En outre, les réactions chimiques du modèle peuvent nécessiter un mécanisme de réaction détaillé pour la description des phénomènes physico-chimiques impliqués. L'un des plus grands défis est la rigidité de la simulation numérique de ces modèles et la nature non linéaire du taux de réaction des espèces. Cette thèse présente un aperçu des principales techniques disponibles dans la littérature pour le développement de modèles réduits de cinétique chimique, en particulier pour la combustion, ainsi que les techniques permettant un calcul efficace des modèles de flux réactifs chimiquement. Après une présentation de la formulation mathématique associée, la méthodologie baptisée tabulation adaptative in situ (ISAT) est implémentée et sa précision, son efficacité et son utilisation de la mémoire sont évalués dans la simulation de modèles de réacteurs agités homogènes. On considère la combustion du monoxyde de carbone avec de l'oxygène et du méthane avec des mélanges d'air, dont les mécanismes de réaction détaillés comportent respectivement 4 et 53 espèces, 3 et 325 réactions. Les résultats de ces simulations indiquent que la mise en œuvre du développement de la technique ISAT présente une erreur globale absolue inférieure à 1%. En outre, la technique ISAT a fourni des gains, en termes de temps de calcul, de jusqu'à 80% par rapport à l'intégration directe de la cinétique chimique complète. Cependant, en termes d'utilisation de la mémoire, la mise en œuvre actuelle de la technique ISAT était excessivement exigeante.
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tel-01541173 , version 1 (27-06-2017)

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  • HAL Id : tel-01541173 , version 1

Citer

Americo E Cunha Jr. Reduction of Complexity in Combustion Thermochemistry. Reactive fluid environment. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01541173⟩

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