Uncertainty quantification and sensitivity analysis of solid fuel combustion

Hassan, Ahmed Ramadan Abdelfatah; Sayadi, Taraneh; Kneer, Reinhold

doi:HT030753913

Uncertainty quantification and sensitivity analysis of solid fuel combustion = Unsicherheitsquantifizierung und Sensitivitätsanalyse der Verbrennung fester Brennstoffe

Hassan, Ahmed Ramadan Abdelfatah^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ahmed Ramadan Abdelfatah Hassan

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Sayadi, Taraneh (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05420
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986842/files/986842.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
adjoint method (frei) ; sensitivity analysis (frei) ; solid fuel combustion (frei) ; uncertainty quantification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Simulation der instationären Verbrennung von Festbrennstoffpartikeln besteht aus dem Zusammenspiel mehrerer komplexer Phänomene wie zum Beispiel Chemie und Turbulenz. Um solche Wechselwirkungen zu erfassen, werden Modelle mit unterschiedlicher Genauigkeit verwendet. Daher ist es wichtig, ihre Unsicherheiten zu quantifizieren und die Sensitivitäten der verschiedenen Größen in Bezug auf diese Modellparameter zu analysieren. Als Ausgangspunkt für diese Studie wird der stationäre Verbrennungsprozess eines einzelnen Feststoffpartikels betrachtet. Aufgrund der großen Anzahl von Parametern, die in solchen Simulationen vorkommen, ist ein reiner Vorwärtsansatz für die Sensitivitätsanalyse nicht durchführbar. Daher wird die Verwendung von adjungierten Algorithmen vorgeschlagen, um die zugrundeliegenden Sensitivitäten und Unsicherheiten zu identifizieren und zu quantifizieren. Es werden sowohl diskrete als auch kontinuierliche adjungierte Algorithmen betrachtet und mit konventionellen Ansätzen, wie z.B. Finite-Differenzen, verglichen. Sensitivitäten, die Luft- und Oxyatmosphären beschreiben, werden in Bezug auf die relevanten Verbrennungsparameter für zwei verschiedene Zusammensetzungen berechnet. Um die Auswirkungen von Instabilitäten und Nichtlinearitäten auf die extrahierten Sensitivitäten zu berücksichtigen, wird ein halbdiskreter adjungierter Ansatz auf die instationäre Verbrennung von Holzpartikeln angewandt. Zur Untersuchung des Gasphasenverbrennungsmodells und zur Einbindung verschiedener Phänomene, wie die Entgasung, wurden die Unsicherheiten von Gasphasenkinetikmodellen in einem nulldimensionalen isobaren Reaktor untersucht. Die Active Subspace-Methode, ergänzt durch die adjungierte Technik (AASM), erwies sich als ein effizientes Werkzeug für diesen Zweck. Die Vorhersagen von AASM wurden mit einer kostengünstigeren Methode, der linearen Approximation mit dem adjungierten Modell (LAAM), berechnet. Schließlich wurde die Entwicklung der Sensitivitäten für eine einzelne instationäre achsensymmetrische Partikelkonfiguration berechnet, einschließlich verschiedener Phänomene wie Entgasung, Verbrennung von Holzkohle und einem detaillierten Methan-Mechanismus für Gasphasenreaktionen. AASM wurde auch zur Quantifizierung der Unsicherheiten des Modells genutzt.

Simulations of unsteady solid fuel particle combustion consist of the interaction of multiple complex phenomena, such as chemistry, turbulence, etc. In order to capture such interactions, models with variable fidelity are used. It is therefore essential to quantify the uncertainty and analyze the sensitivities of different quantities of interest with respect to these model parameters. The steady combustion process of a single solid particle is considered as a starting point for this study. The large number of parameters present in such simulations makes a purely forward approach to sensitivity analysis infeasible. Therefore, the use of adjoint-based algorithms to identify and quantify the underlying sensitivities and uncertainties is proposed. Both discrete and continuous adjoints are considered and compared to conventional approaches, such as finite differences. Various quantities of interest are considered, and sensitivities with respect to the relevant combustion parameters are reported for two different free-stream compositions, describing air and oxy atmospheres. To address the effect of unsteadiness and nonlinearity on the extracted sensitivities, a semi-discrete adjoint approach is then applied to unsteady char particle combustion. To examine the gas phase combustion model and to incorporate various phenomena such as devolatilization, the uncertainty quantification of gas phase kinetic models was studied in a zero-dimensional isobaric reactor. The active subspace method augmented with the adjoint technique (AASM) was found to be an efficient tool for this purpose. The predictions of AASM were compared to a cheaper method, which is a linear approximation using the adjoint model (LAAM). Finally, the sensitivities' evolution was calculated as a function of time for a single unsteady axisymmetric particle configuration, including different phenomena such as devolatilization, char combustion, and a detailed methane mechanism for gas phase reactions. AASM was also used to quantify the uncertainties present in the model.

OpenAccess:
PDF
(additional files)