Numerical simulation of aluminum particle combustion
Modélisation et simulation de flammes d'aluminium
Résumé
As society is moving away from hydrocarbons, there is a need for a clean way to store and transport energy over the globe. For this need, metal fuels are very attractive and excellent candidates as alternative carbon-free and renewable fuels. Due to their high energy density, availability, stability and low cost, metals and especially aluminum could replace hydrocarbons in many applications. In addition, metal oxides are solid and may be easily collected and recycled (J.M. Bergthorson et al., Applied Energy, 2015). Aluminum is already well known as a fuel, used for many years in space propulsion. However, the detailed understanding of the combustion of aluminum particles remains a challenge which requires to combine sophisticated experiments with numerical simulation. The modeling of aluminum combustion then must take into account all existing phenomena, from melting and evaporation of the metal particles to gaseous and heterogeneous oxidation and finally condensation and solidification into metal oxide particles. In this work, a complete model for burning aluminum particles has been developed and implemented in the massively parallel Navier-Stokes compressible solver AVBP in order to compute a stabilized laminar flame. The model includes the dual composition of the aluminum particles with an alumina cap, heterogeneous surface reactions and condensation of the combustion products, and nucleation of products into particles following Finke et al. (J. Finke., Combustion and flame, 2023). The Lagrangian tracking of these product particles is an original feature of the model, with regards to the literature where an Eulerian formulation is mostly reported. It offers the possibility to give more details about the formed metal oxide particles, in particular their size. Results and analysis of 1D and 2D stabilized aluminum laminar flames obtained with this model confirm the validity of the approach.
Afin de limiter l’utilisation d’hydrocarbures, il est nécessaire de trouver un moyen propre de stocker et transporter l’énergie sur de grandes distances. Les combustibles métalliques constituent d'excellents candidats en tant que combustibles alternatifs, renouvelables et sans émissions de carbone. En effet, ils présentent une haute densité énergétique, sont disponibles à bas coût et sont faciles à stocker et transporter sous forme de poudre. De plus, les produits de combustion sont des oxydes métalliques solides qui pourraient être collectés et recyclés (J.M. Bergthorson et al., Applied Energy, 2015). L’aluminium est utilisé depuis de nombreuses années comme combustible, notamment en tant que carburant pour la propulsion spatiale et militaire. Cependant, la compréhension détaillée de la combustion des particules d'aluminium reste un enjeu majeur nécessitant de combiner résultats expérimentaux et simulations numériques avancées. La modélisation de ce type de combustion implique de prendre en compte tous les phénomènes impliqués. Ces phénomènes complexes sont nombreux, de la fusion et l'évaporation des particules d’aluminium à l'oxydation gazeuse et de surface, jusqu'à la condensation et la solidification en particules d'oxyde métallique des produits de combustion. Durant cette thèse, un modèle complet pour la combustion des particules d'aluminium a été implémenté dans le code massivement parallèle AVBP afin de stabiliser numériquement des flammes d’aluminium. Le modèle prend en compte la présence du lobe d’alumine sur les particules d'aluminium, les réactions hétérogènes de surface et la condensation détaillée des produits de combustion en utilisant le modèle proposé par Finke et al. (J. Finke., Combustion and Flame, 2023). Ce modèle permet de suivre les produits de combustion liquides de façon Lagrangienne contrairement aux travaux présents dans la littérature qui utilisent une formulation Eulérienne. Ce dernier point permet d’étudier l’évolution de la morphologie des particules d’alumine, ce qui constitue un enjeu clef dans le but de les collecter et de les recycler. Ce modèle a été utilisé pour simuler la combustion de particules d’aluminium isolées, des flammes 1D ainsi que des flammes 2D pouvant être comparées aux résultats expérimentaux présents dans la littérature.
Domaines
Autre| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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