Resumen de Modelización de la combustión de llamas turbulentas mediante la simulación de las grandes escalas
En este trabajo se desarrolla una estrategia para el modelado de flujos turbulentos reactivos basada en el uso de Linear Eddy Model (LEM) como modelo submalla en Simulaciones de las Grandes Escalas (LES). Esta técnica, denominada S-LEM (Subgrid-LEM) en esta investigación, modela todos los procesos físicos que ocurren por debajo de la resolución de la malla (difusión molecular, convección turbulenta y, en su caso, reacciones químicas) en un dominio unidimensional inmerso en cada una de las celdas de la malla. El dominio submalla es discretizado para resolver todo el rango de escalas entre el tamaño característico de la celda (escala de filtrado en LES) y la escala más pequeña del flujo (escala de Kolmogorov), por lo que los términos de difusión y de reacción química se pueden determinar de manera exacta, evitando las hipótesis sobre la interacción entre la química y la turbulencia. Los procesos submalla son, por tanto, representados con una ecuación unidimensional transitoria de difusión-reacción. Los efectos de la convección submalla (torbellinos turbulentos) se modelan mediante procesos estocásticos (triplet maps) de acuerdo al procedimiento original del modelo LEM. El transporte entre los dominios submalla, por efecto de las grandes escalas, se modela mediante una técnica denominada splicing que intercambia porciones de los subdominios de acuerdo al gasto másico entre celdas contiguas y a la intensidad local de las fluctuaciones turbulentas. En esta tesis, el algoritmo de splicing desarrollado incorpora contribuciones de alto orden en el modelado de la convección. El procedimiento propuesto se basa en una analogía con los llamados esquemas convectivos del método de discretización por volúmenes finitos.
En la investigación se emplean las llamas experimentales C, D y E de los laboratorios Sandia, que corresponden a sistemas no premezclados y estabilizados con una corriente piloto. Las ecuaciones filtradas de conservación que describen la dinámica del flujo son discretizadas mediante volúmenes finitos. El proceso de combustión y sus interacciones con la turbulencia se han modelado con dos estrategias diferentes: un modelo de flamelets estacionario con funciones de densidad de probabilidad de forma supuesta y, por primera vez para estas configuraciones, Linear Eddy Model.
El documento revisa concisamente el estado del arte de LES y las principales estrategias para el modelado de los flujos turbulentos reactivos. El comportamiento de los algoritmos numéricos más relevantes se evalúa previamente a las simulaciones principales. Las predicciones mostradas pueden clasificarse en: (a) simulaciones con el modelo de flamelets, (b) con S-LEM sin la cinética química y (c) con S-LEM incorporando el proceso de combustión. En el caso (a), las simulaciones combinando LES y flamelets (con un mecanismo químico de 16 especies y 35 reacciones) muestran una predicción adecuada del flujo y de las principales especies químicas y temperatura. Esto confirma la validez de la hipótesis de flamelets estacionarios en estas llamas, incluso en la E, que posee mayor probabilidad de extinción local. En el caso (b), a las simulaciones con flamelets, se incorpora el modelo S-LEM para determinar el transporte de un escalar no reactivo (fracción de mezcla). La evolución de este escalar, su varianza y tasa de disipación, concuerdan razonablemente con las respectivas variables eulerianas modeladas en LES, lo que valida la representación de los procesos de splicing y mezcla submalla implementados en S-LEM. En el caso (c), la reacción de combustión es incorporada a los procesos submalla de S-LEM para determinar el estado termoquímico del flujo. La cinética química es representada en este caso mediante un mecanismo simplificado que, aunque sólo consta de un paso, ajusta el calor liberado en la reacción y la temperatura de activación en función del ratio de equivalencia local del flujo. Los resultados mejoran el acuerdo con los experimentos presentado en el modelado con flamelets.
La información extraída de los subdominios de S-LEM es usada para analizar la estructura submalla de los escalares, principalmente de la tasa de disipación (para la que existen medidas experimentales en distintas posiciones de las llamas analizadas). Los resultados muestran que el modelo desarrollado predice razonablemente esta estructura. La dispersión de especies químicas es similar a la experimental. A través del tratamiento numérico de estas dispersiones en el punto estequiométrico, se ha demostrado que el modelo captura las complejas interacciones entre la cinética química y la turbulencia en las tres llamas analizadas.
