Large eddy simulations for hydrogen combustion modelling. Applications to ballistic base drag reduction units and nuclear accident sequence analysis

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En este trabajo se han desarrollado modelos de simulación mediante herramientas de mecánica de fluidos computacional (CFD) utilizando modelado de turbulencia Large Eddy Simulation (LES) para abordar el análisis de problemas en los que, tradicionalmente, se han utilizado de forma extendida simulaciones con modelado de turbulencia Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (RANS), en las que los resultados alcanzados presentan ,en muchas ocasiones, diferencias significativas comparados con datos experimentales. En la actualidad, simulaciones CFD con modelado de turbulencia LES se están convirtiendo en una atractiva alternativa a simulaciones RANS, siendo abordable en términos de coste computacional y tiempo de simulación para muchas aplicaciones industriales, debido principalmente a la evolución y avances en materia de recursos y potencia computacional. En ese contexto, el objetivo principal de este trabajo consiste en desarrollar y validar modelos y estrategias de simulación CFD para ser aplicados y extraer conclusiones relevantes en problemas donde tradicionalmente simulaciones con modelos RANS han sido ampliamente aplicadas, pero con limitaciones en su validación experimental. Estos problemas son el análisis de balística exterior incluyendo unidades de reducción de resistencia de base mediante tecnología Base Bleed, así como el estudio de problemas de combustión en secuencias de accidente nuclear. Ambas aplicaciones tienen en común que involucran procesos de combustión hidrógeno-aire en condiciones de flujo turbulento. Para cada una de estas aplicaciones, diferentes metodologías y estrategias numéricas han sido desarrolladas y validadas. Adicionalmente, junto al desarrollo de estos modelos, se proponen metodologías para optimizar el coste computacional con limitado impacto en la precisión de los resultados alcanzados. La tecnología conocida como Base Bleed ha sido, y es, ampliamente utilizada con el objetivo de reducir la resistencia aerodinámica de cuerpos esbeltos mediante la destilación de gases (procedentes de una combustión) en su zona posterior. Los modelos desarrollados en este trabajo permiten estimar el coeficiente de resistencia aerodinámica (CD) cuando el cuerpo, con unidad de Base Bleed (activa o no), posee rotación axial (spin) y se considera vuelo cuasi - estacionario en régimen transónico y supersónico (Mach 0.99-1.5). Se han comparado los resultados de varios modelos bidimensionales y tridimensionales con datos experimentales obtenidos mediante técnicas de trayectografía. Los resultados alcanzados evidencian que los modelos de turbulencia RANS y Detached-Eddy Simulation (DES) obtienen buenas predicciones de CD en ausencia de unidades Base Bleed. Sin embargo, el efecto de reducción de resistencia provocado por estas no aparece reflejado en las predicciones de CD calculados con estos modelos de turbulencia. En cambio, con modelos de turbulencia LES, se obtienen predicciones más realistas. En relación al estudio de procesos de combustión en secuencias de accidente nuclear, estos precisan de simulaciones de combustión premezclada turbulenta en espacios confinados, simulaciones que presentan comúnmente la limitación del elevado coste computacional requerido, así como el reducido número de datos experimentales disponibles para la validación. De forma general, ciertos modelos de combustión turbulenta basados en RANS han obtenido resultados satisfactorios para predecir parámetros globales de la combustión, pero presentan limitaciones para modelar correctamente algunos fenómenos transitorios, especialmente interacciones dinámicas de los frentes de llama en un medio turbulento y su influencia en la combustión. En este contexto, los modelos de combustión basados en LES se presentan como una alternativa eficiente en términos de coste computacional para analizar secuencias de accidente involucrando la combustión del hidrógeno. En este trabajo, dos modelos diferentes han sido desarrollados y propuestos para analizar la evolución de la velocidad de combustión de deflagraciones y la interacción de estas en medios turbulentos. Estas estrategias han sido, un modelo de variable de progreso (Flamelet Progress Variable, LES-FPV) y otro con modelado de tasa de reacción química de gases multicomponente (Finite-Rate chemistry model) denominado Thickened Flame Model (LES-TFM) en el que se pretende modelar la interacción entre el mecanismo de cinética química con la turbulencia. Se ha llevado a cabo la validación de estos modelos para predecir fenómenos tales como la velocidad de combustión, aceleración turbulenta y evolución de la presión. Adicionalmente, se han propuesto técnicas para reducir el coste computacional y para hacer abordable su aplicación en problemas industriales, de mayor escala que los ensayos de laboratorio para validación. Estas técnicas incluyen: Dynamic Adaptive Chemistry (DAC), in-situ Adaptive Tabulation (ISAT) y mallados dinámicos adaptativos. Esta última técnica tiene el objetivo de aumentar la resolución espacial localmente en el frente de llama, manteniendo un coste computacional y tiempos de simulación abordables. Finalmente, se ha aplicado los modelos previamente validados para analizar dos secuencias de pérdidas de vacío en ITER (Loss Of Vacuum Accident, LOVA). Con ellos se han obtenido conclusiones relevantes sobre dichos accidentes. Adicionalmente, otra aproximación basada en la hipótesis de “Reactor Perfectamente Agitado” (Perfectly Stirred Reactor, PSR) ha sido propuesta y validada para predicción de variables globales en secuencias de combustión de hidrógeno-aire premezclado. Esta aproximación tiene la ventaja de una menor complejidad desde el punto de vista de modelado, a expensas de requerir un mayor coste computacional, además de presentar una aplicabilidad limitada en determinados regímenes de combustión. Se ha llevado a cabo una validación y evaluación de estos modelos comparando con datos experimentales y con otros estudios numéricos de aceleración de llama en un canal con obstáculos. Los resultados permiten identificar las principales deficiencias a tener en cuenta al utilizar esta aproximación y evaluar las incertidumbres relacionadas con el uso de diferentes modelos de turbulencia sub-grid scale. Por último, se ha desarrollado un modelo, para simular problemas de combustión bifásicos de flujos reactivos en presencia de partículas de grafito a partir de los modelos LES-TFM. La modelización numérica de la combustión turbulenta de mezclas de H2-aire con partículas sólidas de grafito es un reto clave en muchos problemas industriales, incluyendo el ámbito de la seguridad nuclear. El modelo se basa en una aproximación Euler-Euler acoplada con diferentes cinéticas químicas detalladas para simular la combustión de mezclas de gases y partículas. El modelo se ha empleado para predecir la evolución transitoria de las secuencias de combustión turbulenta de mezclas de H2, aire y partículas de grafito en condiciones de baja concentración de este último, obteniendo resultados que se ajustan a los experimentales obtenidos en una bomba esférica. El modelo permite predecir ciertas tendencias experimentales, como la composición de productos de la combustión, mostrando que una baja concentración inicial de partículas de grafito (~96 g/m3) influye en la dinámica de la combustión del H2 para mezclas de 20% en volumen de H2 en aire. En estas condiciones, se aumentaron los niveles de presión alcanzados en las paredes de la esfera y se redujo el tiempo de combustión respecto al caso sin presencia de partículas. Los resultados muestran la viabilidad de utilizar este tipo de modelado para caracterizar parámetros globales como la evolución temporal de la presión en las paredes.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using Large Eddy Simulation (LES) turbulence modeling are proposed for analyzing problems where traditionally Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (RANS) have been extensively used, but with results that did not find good agreement when compared with experimental data. Nowadays, as a consequence of the increase in computational efficiency and power during last years, LES models has become an affordable alternative for being applied on a lot of fluid-dynamics problems even from an industrial perspective. This work is focused on two problems: external ballistics for slender bodies with drag reduction (Base Bleed) units, and nuclear accident sequences. Both problems have in common that involve hydrogen-air combustion processes under turbulent flow conditions. For each application, different approaches have been developed and tested, and methodologies for improving computational cost with low (or not) penalty on the results accuracy have been analyzed and proposed. Base Bleed technology is a common strategy used for body drag reduction. This work studied analyzes CFD models to estimate the drag coefficient of slender bodies with spin and Base Bleed technology under transonic and supersonic (Mach number 0.99–1.5) quasi-steady conditions. 2-dimensional and 3-dimensional numerical models based on RANS, Detached Eddy Simulation (DES) and LES models were presented and benchmarked against ad-hoc experimental flight measurements performed with both active and inactive Base Bleed units. Results show that RANS and DES models predict well the drag coefficient in the absence of Base Bleed units. However, they have a very limited accuracy in drag prediction when facing a problem involving a high temperature jet mixing layer with a transonic wake as in the case of active Base Bleed. Notwithstanding, a reasonable agreement is found between numerical predictions of drag reduction and experimental data for the case of LES. On the other hand, the modelling of premixed combustion in three-dimensional confined scenarios is also studied in this work. Accurate modelling of combustion sequences is difficult due to computational costs and the limited ad-hoc experiments available to validate the models. RANS based combustion models have shown to be successful in predicting gross features of combustion, nevertheless, they have serious deficiencies to predict transient phenomena, such as combustion instabilities, cycle-to-cycle variations, self-ignition, and pollutant emission. LES seems to be a cost-effective method to reach this goal when analyzing H2 combustion dynamics in accident sequences. In this work, two different LES models have been proposed and assessed for predicting flame combustion acceleration and interaction in the presence of turbulence: a Flamelet Progress Variable (LES-FPV) and a Thickened Flame Model (LES-TFM). With the aim of reducing computational costs, Dynamic Adaptive Chemistry (DAC) and in-situ adaptive tabulation (ISAT) methods have been exploited when facing detailed kinetic mechanism for hydrogen combustion. Moreover, an adaptive meshing technique was used with the aim of tracking the flame front to ensure an adequate local spatial resolution, where the model requires such level discretization. Experimental validation was performed to assess the ability of the different studied approaches to predict the flame burning speed, flame acceleration, and pressure evolution for lean H2-Air volume percent mixtures from 16 to 28% propagating within a turbulent field. Results revealed that both approaches led to accurate predictions in terms of flame burning speed. When considering DAC and ISAT methods with detailed chemistry, LES-TFM model was found to be a cost-efficient solution, which relies less on experimental inputs than the LES-FPV alternative. Once this model has been validated, it is used to analyze two loss of vacuum accident (LOVA) sequences within the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) Vacuum Vessel. Results permitted to get key insights into these accidents. Additionally, LES turbulence with perfectly stirred reactor (PSR) assumption and detailed chemistry have been also assessed to predict global variables of unsteady, premixed, hydrogen combustion sequences. This approach requires less modeling efforts but increases the need of computational resources and it shows application limitations. The assessment is faced by benchmarking the model with hydrogen-air experimental tests and with numerical data of flame acceleration in an obstructed channel obtained with other models. Results permit to identify major shortcomings that should be addressed with this approach and to assess the uncertainties linked to the use of different sub-models. Finally, LES-TFM approach have been proposed for modeling two-phase combustion problems to describe reacting flows in presence of graphite particles. The model proposed is benchmarked against experimental combustion data obtained in a spherical bomb. The numerical modelling of turbulent combustion of H2-air mixtures with solid graphite particles is a challenging and key issue in many industrial problems including nuclear safety. The model relies in an Eulerian–Eulerian approach coupled with different detailed chemical kinetics to simulate the combustion of mixtures of gases and particles. The model is applied to predict the transient evolution of turbulent combustion sequences of mixtures of hydrogen, air, and a low concentration of graphite particles. Results show a good agreement between experimental and numerical data. Moreover, the model is able to predict some key experimental tendencies and reveals that the presence of a low concentration of graphite particles (~96 g/m3) influences the hydrogen combustion dynamics for mixtures of 20% (in volume) of hydrogen in air. Under these conditions, pressure levels reached at the walls of the sphere are increased and the combustion time is shortened. The results also show the viability of using this kind of models for obtaining global combustion parameters such as the temporal evolution of the wall pressure.