Implementation and validation of the thickened flame model framework for large eddy simulation of reactive flows

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.