Προσομοίωση διεργασιών ετερογενών μειγμάτων με χρήση υπολογιστικών εργαλείων

Abstract

The main objective of this thesis is to study fuel vapor, low temperature, chemical oxidation phenomena occurring inside reactors, where fuel sprays evaporate due to their interaction with preheated gas streams. The work focuses on the “stabilized cool - flame (SCF)” phenomenon, which allows subsequent use of premixed combustion technologies. This combination leads to an increase of the process overall efficiency, while at the same time reduces the formation of pollutants. In addition, the thesis highlights the advantages of combining experimental methods and CFD simulations, in order to understand in detail the occurring phenomena. Ιn the context of the present thesis, an “in-house” developed computational fluid dynamics (CFD) code has been extended to account for the simulation of turbulent, two - phase flow applications, utilizing the Euler-Euler methodology (2-Phase code / Version 2F / incorporating the two-fluid approach). On the other hand, the ability of - available in the literature - n - heptane reduced chemical kinetic mechanisms to describe the complex oxidative phenomena associated with the SCF phenomenon is investigated. In order to be able to compute the effect of low temperature chemical oxidation phenomena in the developing flow and thermal fields inside SCF reactors, an Ordinary Differential Equations (ODE) solver (adaptation of the “DVODE” solver package) incorporating a 7-step kinetic mechanism, is linked to the developed CFD code (2-Phase code / Version 2F). Hence, a composite CFD tool is introduced, based on the Direct Integration (DI) approach. The performance of the developed CFD code (2-Phase code / Version 2F / DI approach) is initially evaluated by numerically investigating diesel spray evaporation inside an atmospheric pressure SCF reactor. Experiments have also been conducted, resulting in a series of gas mixture temperature measurements, which represent the thermal field developing inside an atmospheric pressure SCF loop - type reactor with inbuilt re-circulation zones. Computational results are compared to the obtained temperature measurements, in order to assess the ability of the developed CFD tool, to accurately capture the main thermo-chemical characteristics occurring inside the reactor. It is concluded that the developed CFD tool (2-Phase code / Version 2F / DI approach) can reliably support geometry design and operation optimization of devices exploiting complex thermo - chemical phenomena, such as the SCF reactor. It is also evident that the implemented CFD approach provides useful information regarding the flow and thermal fields developing in regions inside the reactor, where measurements are not feasible due to the complexities of the examined geometry

Κύριο αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μελέτη των χημικών διεργασιών οξείδωσης ατμών καυσίμου στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών και ιδιαίτερα στο εσωτερικό αντιδραστήρων, όπου δέσμη σταγονιδίων (σπρέι) υγρού καυσίμου ατμοποιείται λόγω αλληλεπίδρασης της με θερμό ρεύμα οξειδωτικού συνεχούς μέσου. Έμφαση δίνεται στη μελέτη του φαινομένου «σταθεροποιημένης ψυχρής φλόγας», το οποίο υπό κατάλληλες συνθήκες και όταν εφαρμόζεται σε συνδυασμό με μεθοδολογίες προ-ανάμειξης καυσίμου, οδηγεί σε αποδοτικότερη χρήση του καυσίμου, με φιλικότερο ταυτόχρονα τρόπο προς το περιβάλλον. Στα πλαίσια της διατριβής, αναδεικνύεται η συνδυασμένη χρήση πειραματικών και υπολογιστικών μεθόδων για τη βαθύτερη κατανόηση των φαινομένων που εξετάζονται. Στα πλαίσια της διατριβής, αναπτύχθηκε κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, ο οποίος εφαρμόζει τη μεθοδολογία Euler - Euler (κώδικας 2-Phase / Έκδοση 2F / εφαρμογή προσέγγισης δύο ρευστών) για την επίλυση εφαρμογών τυρβωδών διφασικών πεδίων ροής. Για τη μοντελοποίηση του φαινομένου «σταθεροποιημένης ψυχρής φλόγας», διερευνήθηκε η δυνατότητα χρήσης απλών μηχανισμών χημικής κινητικής οξείδωσης κανονικού επτανίου. Προκειμένου να γίνει εφικτή η μελέτη επίδρασης χημικών διεργασιών οξείδωσης στο πεδίο ροής, καθώς και στο θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται στο εσωτερικό αντιδραστήρα διφασικής ροής, υπολογιστικό εργαλείο επίλυσης συνήθων διαφορικών εξισώσεων, (με ενσωματωμένο γενικευμένο μηχανισμό οξείδωσης 7 βημάτων), συνδέθηκε κατάλληλα με την έκδοση 2F του κώδικα 2 - Phase (Μέθοδος Άμεσης Ολοκλήρωσης - ΜΑΟ). Η πιστοποίηση του σύνθετου αυτού υπολογιστικού εργαλείου έλαβε χώρα αρχικά, σε εφαρμογή ευθύγραμμου αντιδραστήρα «σταθεροποιημένης Ψυχρής Φλόγας», ατμοσφαιρικής πίεσης. Κατόπιν, πραγματοποιήθηκε σειρά πειραματικών μετρήσεων θερμοκρασίας μείγματος στο εσωτερικό αντιδραστήρα «σταθεροποιημένης Ψυχρής Φλόγας» με ανακυκλοφορία, που επίσης λειτουργεί σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι μετρήσεις αυτές αποτέλεσαν πρότυπο, για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς του σύνθετου κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Αποδεικνύεται, ότι το υπολογιστικό εργαλείο (Κώδικας 2 - Phase / Έκδοση 2F / Μέθοδος Άμεσης Ολοκλήρωσης) που αναπτύχθηκε, υποστηρίζει επιτυχώς τη διαδικασία βελτιστοποίησης σχεδιασμού και λειτουργίας αντιδραστήρων «σταθεροποιημένης ψυχρής φλόγας» απλής ή πολύπλοκης γεωμετρίας. Η συνεισφορά του καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική, σε ότι αφορά στην παροχή αναλυτικών και αξιόπιστων πληροφοριών για τα χαρακτηριστικά του πεδίου ροής, καθώς και του θερμικού πεδίου που αναπτύσσεται στο εσωτερικό αντιδραστήρων, ιδιαίτερα σε περιοχές, όπου η πραγματοποίηση πειραματικών μετρήσεων δεν καθίσταται εφικτή.