Reduction techniques applied to the oxidation of ethanol

Abstract

Numerical simulation of reactive flows, such as combustion, has a highly non-linear character due to the presence of several chemical reactions that occur among the chemical species that describe the process of fuel’s oxidation. Besides, such processes occur at a molecular level, making the system of governing equations stiff, which implies in the need of high order numerical schemes as well as fine meshes and small time step, enhancing considerably the computational cost. In this sense, the use of detailed oxidation mechanisms in the numerical simulation is prohibitive, and chemical reduction techniques are needed in order to develop reduced models with less variables and moderate stiffness, while maintaining the accuracy and comprehensiveness of the detailed model. The objective of the present works if to obtain a comparison between two chemical reduction techniques, the Directed Relation Graph - DRG, based on the skeletal mechanisms generation, and the Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, based on the separation of time scales. As validation of the proposed models, one-dimensional numerical simulations of premixed and non-premixed flames, as well as homogeneous reactors, are carry out. Besides, a coupled methodology between DRG and REDIM is presented, that will provide a useful tool for simulation of fuels with very large detailed kinetic mechanisms.

A simulação numérica de escoamentos reativos, como a combustão, tem um caráter altamente não-linear devido a presença de diversas reações químicas que acontecem entre as espécies que descrevem o processo de oxidação do combustível. Além disso, tais processos ocorrem a nível molecular, tornando o sistema de equações governantes rígido, o que implica na necessidade de esquemas numéricos de alta ordem bem como malhas finas e passo de tempo pequeno, aumentando consideravelmente o custo computacional. Neste sentido, o uso de mecanismos de oxidação detalhados na simulação numérica é proibitivo, e técnicas de redução química são necessárias de modo a desenvolver modelos reduzidos com menos variáveis e rigidez moderado, mantendo a precisão e abrangência do modelo detalhado. O objetivo do presente trabalho é obter uma comparação dos resultados obtidos para duas técnicas de redução química diferentes, Directed Relation Graph - DRG, baseada no desenvolvimento de mecanismos esqueletos, e a Reaction Diffusion Manifolds - REDIM, baseada na separação das escalas de tempo. Como validação dos modelos propostos, simulações numéricas 1D de chamas pré-misturadas e não pré-misturadas, bem como de reatores homogêneos, são desenvolvidas. Além disso, uma estratégia que une as duas técnicas de redução é apresentada, com o objetivo de ser aplicada em mecanismos cinéticos grandes.