Project

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Direct Numerical Simulation of Turbulent Hetero-/homogeneous Combustion with Detailed Chemistry

Applicant Frouzakis Christos
Number 153109
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Energietechnik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Mechanical Engineering
Start/End 01.09.2014 - 28.02.2018
Approved amount 212'573.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Mechanical Engineering
Fluid Dynamics

Keywords (5)

direct numerical simulation; detailed chemistry ; homogeneous ignition ; turbulent hetero-/homogeneous combustion ; flame extinction

Lay Summary (German)

Lead
Katalytische Verfahren sind von höchstem Interesse für viele industriellen Anwendungen, welche von Grosskraftwerken mit stationären Turbinen bis hin zu mobilen Mikro-Reaktoren reichen. Weitere Anwendungsbereiche liegen in der Brennstoffverarbeitung und der Abgas-Aufbereitung. Für Grosskraftwerke sind Ansätze mit katalytischen Verbrennungsverfahren besonders attraktiv, da das Kernziel für die zukünftige Entwicklung in der Verminderung der CO2-Emissionen (Treibhausgase) liegt. Moderne katalytische Reaktoren arbeiten unter hohen Drucken, wobei die eingehenden Reynolds-Zahlen Werte bis 20‘000 erreichen können. Unter solchen hohen Drucken können chemische Reaktionen in der Gasphasenicht vernachlässigt werden, auch nicht unter den sehr hohen geometrischen Einschränkungen typischer Katalyse-Reaktoren. Daher werden verlässliche numerische Modelle der hetero-/homogenen Verbrennung in transienten oder vollständig turbulenten Kanalströmungen benötigt.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungprojekts

In Rahmen des Projektes wird Direkte Numerische Simulation (DNS) für die Untersuchung von heterogener und homogener Reaktionen angewendet. Die turbulente katalytische Verbrennung von Wasserstoff über Platin wird dabei auf Basis von detaillierten chemischen Simulationen der katalytischen und elementare Gasphase-Reaktionen untersucht. Zusätzlich wird ein elementarer Gasphase-Reaktionsmechanismus verwendet (nötig, um die wichtigsten Kopplungen der Gasphase mit den katalytischen Reaktionen). Das Ziel ist die Herausarbeitung der Zusammenhänge zwischen Turbulenz, katalytischer Chemie und gasförmiger Reaktionen, welche an der katalytischen Oberfläche zu homogenen Zündungen und lokalen Flammlöschungen führen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die vorgeschlagene Untersuchung mittels Direkter Numerische Simulation wird Klarheit über die Bedingungen der lokalen homogenen Zündung, der lokalen Flammlöschung, und deren Verhältnis zum übergeordneten Turbulenzniveau der Strömung schaffen. Überdies werden die DNS Resultate die zukünftige Entwicklung von Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) und Large Eddy Simulation (LES) Modellen unterstützen.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.05.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H 2 /air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers
Arani Behrooz Ostadmohammadi, Frouzakis Christos Emmanouil, Mantzaras John, Boulouchos Konstantinos (2018), Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H 2 /air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers, in Proceedings of the Combustion Institute, in press.
Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry
Ostadmohammadi-Arani Behrooz, Frouzakis Christos Emmanouil, Mantzaras John, Boulouchos Konstantinos (2017), Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry, in Proceedings Combustion Institute, 36(3), 4355-4363.
Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers
Behrooz Ostadmohammadi Arani, Christos Emmanouil Frouzakis, John Mantzaras, Konstantinos Boulouchos, Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers, in Proceedings of the Combustion Institute, 37.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. A. Tomboulides, University of Western Macedonia Greece (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
37th International Symposium on Combustion Talk given at a conference Direct numerical simulations of turbulent catalytic and gas-phase combustion of H2/air over Pt at practically-relevant Reynolds numbers 29.07.2018 Dublin, Ireland Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos; Mantzaras Ioannis;
8th European Combustion Meeting 2017 Poster Effect of Turbulence and Surface Reactivity on Turbulent Catalytic Combustion of Lean Hydrogen/air Mixtures: a 3-D Direct Numerical Simulation Study 18.04.2017 Dubrovnik, Croatia Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos; Mantzaras Ioannis;
36-th International Symposium on Combustion Talk given at a conference Three-dimensional direct numerical simulations of turbulent fuel-lean H2/air hetero-/homogeneous combustion over Pt with detailed chemistry 01.08.2016 Seoul, Korean Republic (South Korea) Mantzaras Ioannis; Boulouchos Konstantinos; Ostadmohammadi Arani Behrooz; Frouzakis Christos;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
127180 Direct Numerical Simulation of Catalytic Ignition and Turbulent Catalytic Combustion 01.04.2010 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Catalytic processes are of prime interest for many industrial applications ranging from large-scale power generation in stationary turbines and portable power generation in microreactors, to fuel processing and exhaust gas treatment. In large-scale power generation, catalytic combustion approaches appear particularly attractive for the latest combustion technologies aiming at mitigation of greenhouse CO2 emissions. Modern catalytic reactors operate at high pressures where the incoming Reynolds numbers based on the individual catalytic channel hydraulic diameter can reach up to 20,000 at full load operation. At such elevated pressures, gas-phase (homogeneous) chemical reactions cannot be neglected ?even at the very high geometrical confinements of typical catalytic reactors. Therefore, there is a need for reliable numerical models capable of describing hetero-/homogeneous combustion in transitional or fully turbulent channel-flows.Direct numerical simulation (DNS) will be used to investigate, for the first time in the literature, coupled heterogeneous and homogeneous reactions. Detailed catalytic (mean-field surface reaction mechanism) and elementary gas-phase chemistry will be employed in the DNS code to study hydrogen catalytic combustion over platinum. Moreover, an elementary gas-phase reaction mechanism will be used (necessary for describing the major and minor species coupling with the catalytic reaction pathway). The goal is to identify the interactions between turbulence, catalytic chemistry and gaseous reactions leading to the onset of homogeneous ignition and to local flame extinction over catalytic surfaces. The proposed DNS investigation will shed light on conditions of local homogeneous ignition and local flame extinction and their relation to the overlying turbulence levels of the flow. Moreover, the DNS results will further aid the development of advanced Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) models.
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