Numerical simulation of methane-hydrogen combustion: validation and applications of reduced chemical mechanisms

Abstract

(English) This doctoral thesis investigates the combustion of methane-hydrogen mixtures through numerical simulation. It focuses on understanding the effects of hydrogen substitution on methane flames using reduced chemical mechanisms. The work is divided into four main parts: validation of a reduced mechanism (Z45), development of an extended mechanism (ZG81), analysis of hydrogen addition in premixed and non-premixed flames, and application to industrial kiln burners. Various flame configurations, from laminar to turbulent and from laboratory to industrial scale, are simulated using OpenFOAM and Cantera. The study emphasizes computational efficiency, pollutant formation (especially NOx), and strategies to mitigate hydrogen’s effects while maintaining performance. The results aim to support the energy transition by improving cleaner hydrogen-based combustion technologies.

(Català) Aquesta tesi doctoral estudia la combustió de mescles de metà i hidrogen mitjançant simulacions numèriques. L’objectiu principal és comprendre com la substitució d’hidrogen afecta la flama de metà, utilitzant mecanismes cinètics químics reduïts. El treball es divideix en quatre parts: validació del mecanisme reduït Z45, desenvolupament del mecanisme ampliat ZG81, estudi de l’addició d’hidrogen en flames premestes i no premestes, i aplicació en cremadores industrials. S'utilitzen Cantera i OpenFOAM per dur a terme les simulacions. L'estudi analitza l'eficiència computacional, la formació de contaminants (especialment NOx) i estratègies per compensar els efectes de l’hidrogen mantenint el rendiment. Els resultats contribueixen al desenvolupament de tecnologies de combustió més netes i eficients basades en l'hidrogen.

(Español) Esta tesis doctoral analiza la combustión de mezclas de metano e hidrógeno mediante simulaciones numéricas. Se centra en evaluar cómo la sustitución de metano por hidrógeno afecta a las características de la llama utilizando mecanismos cinéticos químicos reducidos. El trabajo se divide en cuatro partes: validación del mecanismo reducido Z45, desarrollo del mecanismo extendido ZG81, análisis de la adición de hidrógeno en llamas laminares y turbulentas, y aplicación en quemadores industriales. Se utilizan los softwares OpenFOAM y Cantera para simular diferentes configuraciones de llama. El estudio destaca la eficiencia computacional, la formación de contaminantes (especialmente NOx) y estrategias para compensar los efectos del hidrógeno sin comprometer el rendimiento. Los resultados proporcionan conocimientos clave para avanzar en tecnologías de combustión más limpias basadas en hidrógeno.