Publicação: Implementation and validation of the thickened flame model framework for large eddy simulation of reactive flows
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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This work presents the implementation, verification, and validation of the Thickened
Flame Model (TFM) framework within the in-house MFSim computational platform for Large
Eddy Simulation (LES) of turbulent premixed reactive flows. The TFM addresses the funda-
mental flame resolution problem in LES—where the laminar flame thickness is far smaller
than affordable grid spacing—by artificially thickening the flame through simultaneous en-
hancement of molecular diffusivities by a factor F and reduction of reaction rates by the same
factor, thereby preserving the laminar flame speed while rendering the flame structure resolv-
able on practical meshes. The implementation, developed in Fortran 90/95 consistent with the
MFSim codebase, encompasses the core TFM formulation including the dynamic thickening
transformation, the Wang-modified Charlette efficiency function with power-law exponent
β = 0.5 to compensate for lost subgrid flame wrinkling, and two flame sensor options: the
Durand and Polifke parabolic sensor based on progress variable and a modified Han sensor
based on fuel reaction rate. The module integrates with MFSim’s existing infrastructure for
implicit-explicit time integration, Strang operator splitting for chemistry via the Cantera li-
brary, the dynamic Smagorinsky subgrid-scale model, and block-structured adaptive mesh
refinement (AMR). Validation is conducted on the turbulent Bunsen Flame F3 from the exper-
imental campaign of Chen et al., a well-documented configuration operating in the flamelet
regime at ReD ≈ 24,000 with stoichiometric methane-air, using the Yang and Pope 16-species
mechanism. Two mesh configurations are investigated: a production mesh (Δx = 0.34 mm,
Fmax = 6.5, δLF ≈ 2.7 mm) and a coarse mesh (Δx = 0.68 mm, Fmax = 13.0, δLF ≈ 5.5 mm),
both on a two-dimensional domain. The production mesh reproduces mean velocity, tem-
perature, and major species profiles with reasonable agreement against experimental data,
confirming that the E/F scaling of source terms preserves the integral effect of heat release
on flow acceleration. The coarse mesh, where the thickened flame thickness exceeds the in-
tegral turbulent length scale (δLF > l0 ), exhibits degraded predictions characterised by broader
species distributions, incomplete combustion, and non-physical kinetic energy accumulation,
establishing the practical criterion δLF < l0 as essential for maintaining physically meaning-
ful turbulence-flame coupling. The dominant source of discrepancy with respect to experi-
mental measurements is attributed to the two-dimensional domain assumption, which sup-
presses three-dimensional turbulent transport mechanisms. The TFM introduces negligible
computational overhead (less than 5% of wall-clock time), with its primary benefit residing
in the enabling of significantly coarser grids compared to direct flame resolution. This work
contributes to the systematic development of reactive flow simulation capabilities in MFSim,
complementing existing LES/PDF, AMR with detailed chemistry, virtual kinetic mechanism,
and compressible reactive flow methodologies.
Abstract
Este trabalho apresenta a implementação, verificação e validação da estrutura do Modelo de
Chama Espessada (Thickened Flame Model – TFM) na plataforma computacional MFSim para
Simulação de Grandes Estruturas (LES) de escoamentos reativos turbulentos pré-misturados.
O TFM aborda o problema fundamental de resolução da chama em LES por meio do espes-
samento artificial da chama, aumentando simultaneamente as difusividades moleculares por
um fator F e reduzindo as taxas de reação pelo mesmo fator, preservando assim a veloci-
dade de chama laminar e tornando a estrutura da chama resolvível em malhas práticas. A
implementação, desenvolvida em Fortran 90/95 de forma consistente com a base de código do
MFSim, abrange a formulação completa do TFM, incluindo a transformação de espessamento
dinâmico, a função de eficiência de Charlette modificada por Wang com expoente da lei de
potência β = 0,5 para compensar o enrugamento sub-malha perdido, e duas opções de sensor
de chama: o sensor parabólico de Durand e Polifke baseado na variável de progresso e um
sensor modificado de Han baseado na taxa de reação do combustível. O módulo integra-se à
infraestrutura existente do MFSim para integração temporal implícita-explícita, separação de
operadores de Strang para a química via biblioteca Cantera, o modelo de submalha dinâmico
de Smagorinsky e o refinamento adaptativo de malha (AMR) bloco-estruturado. A validação
é conduzida na chama Bunsen turbulenta F3 da campanha experimental de Chen et al., uma
configuração bem documentada operando no regime de flamelet com ReD ≈ 24.000 e mistura
estequiométrica de metano-ar, utilizando o mecanismo de 16 espécies de Yang e Pope. Duas
configurações de malha são investigadas: uma malha de produção (Δx = 0,34 mm, Fmax = 6,5,
δLF ≈ 2,7 mm) e uma malha grosseira (Δx = 0,68 mm, Fmax = 13,0, δLF ≈ 5,5 mm), ambas
em domínio bidimensional. A malha de produção reproduz os perfis médios de velocidade,
temperatura e espécies majoritárias com concordância razoável em relação aos dados exper-
imentais, confirmando que o escalonamento E/F dos termos fonte preserva o efeito integral
da liberação de calor sobre a aceleração do escoamento. A malha grosseira, na qual a espes-
sura da chama espessada excede a escala integral de turbulência (δLF > l0 ), apresenta previsões
degradadas, caracterizadas por perfis subestimados das espécies principais, combustão incom-
pleta e acúmulo não físico de energia cinética, estabelecendo o critério prático δLF < l0 como
essencial para manter um acoplamento fisicamente significativo entre turbulência e chama. A
principal fonte de discrepância em relação às medições experimentais é atribuída ao domínio
bidimensional, que suprime os mecanismos de transporte turbulento tridimensional. O TFM
introduz sobrecarga computacional desprezível (inferior a 5% do tempo de execução), sendo
seu principal benefício a viabilização de malhas significativamente mais grosseiras em com-
paração com a resolução direta da chama. Este trabalho contribui para o desenvolvimento sis-
temático das capacidades de simulação de escoamentos reativos no MFSim, complementando
as metodologias existentes de LES/PDF híbrido, AMR com química detalhada, mecanismos
cinéticos virtuais e escoamentos reativos compressíveis.
Palavras-chave
Thickened Flame Model, Modelo de chama espassada, Bunsen flame, chama de Busen, dynamic thickening, espassamento dinâmico, turbulent premixed combustion, combustão turbulent pré-misturada, MFSim, MFSim, Large Eddy Simulation, Simulação de Grandes Estruturas
Citação
COELHO, Rafael Magalhães. Implementation and validation of the thickened flame model framework for large eddy simulation of reactive flows. 2026. 133 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.178.