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Finite-rate combustion models for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion; An a priori DNS analysis

Shamooni Pour Dezfouli, Ali (2020):
Finite-rate combustion models for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion; An a priori DNS analysis.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013971,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Finite-rate combustion models for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion; An a priori DNS analysis
Language: English
Abstract:

Turbulence and chemistry interaction (TCI) is still an open problem in the combustion science. Models are needed to account for the unclosed chemistry source terms when the averaged or filtered Navier-Stokes governing equations are solved for chemical species in reactive flows. Finite-rate (FR) combustion models attempting to model the low-pass filtered production/consumption rates (in the case of Large Eddy Simulation or LES) directly. The Eddy Dissipation Concept (EDC) and Scale Similarity (SS) models are two types of FR combustion models for LES. The aim of the study is to assess and improve the performance of the two mentioned models using Direct Numerical Simulation (DNS) databases. In DNS all flow and chemistry scales are resolved and no TCI modeling is required. The DNS databases of reactive flows with relatively detailed chemistry, which are now available thanks to massively large parallel computational tools and codes, can be utilized to both gain fundamental insights on the turbulent reactive flows and directly assess TCI models. The assessment can be through a priori and a posterior DNS analyses. In the current work, fundamental analyses are carried out, using DNS databases of non-premixed jet flames, on the spectral behavior (velocity and dissipation of kinetic energy spectra) and the internal intermittency phenomenon in this type of flames. The physical findings are applied to develop new FR combustion models for LES. In particular, Eddy Dissipation Concept (EDC) is improved by the modifications on the coefficients and the intermittency factor of the model. The modification on the coefficients follows a theoretical basis in which the new findings on spectral behavior have been applied to reduce the degree of freedom of the model by relating the two free coefficients of the model. On the other hand, the modification in the intermittency factor of EDC is the direct application of the observations in the scaling of dissipation fluctuations. The new EDC models are then a priori assessed using the DNS databases. Besides, the existing Scale Similarity (SS) models for LES are a priori assessed using the DNS databases and new dynamic SS models are developed based on Germano's identity for LES and further assessed using the a priori DNS analysis.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Beschreibung der Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung (TCW) bleibt in der Verbrennungswissenschaft trotz vielen Bemühungen noch eine offene Fragestellung. Es werden Modelle benötigt, um die nicht geschlossenen chemischen Quellterme zu schliessen, wenn die Reynolds-gemittelten oder gefilterten Navier-Stokes-Gleichungen für chemische Spezies in reaktiven Strömungen gelöst werden. "Finite-Rate'' (FR) Modelle sind diejenigen, bei denen keine Annahmen hinsichtlich der Strömung oder der Flamme getroffen werden. Es wird dann versucht, die tiefpassgefilterten Produktions- / Verbrauchsraten (im Fall von Large Eddy Simulation (LES)) direkt zu modellieren. In der Direkten Numerischen Simulation (DNS) werden jedoch alle Skalen der Strömung und der Chemie aufgelöst, und es ist keine TCW-Modellierung erforderlich. Die DNS-Daten reaktiver Strömungen mit relativ detaillierter Chemie, die dank großer paralleler Superrechner und Programmcodes mittlerweile verfügbar sind, können verwendet werden, um entweder grundlegende Einblicke in turbulente reaktive Strömungen zu erhalten oder TCW-Modelle direkt zu formulieren bzw. bewerten. Die Beurteilung erfolgt entweder durch a priori oder a posteriori DNS-Analysen. In dieser Arbeit wurden unter Verwendung von DNS-Datenbank von nicht vorgemischten Jet-Flammen grundlegende Analysen der spektralen Eigenschaften (Geschwindigkeit und Dissipation der kinetischen Energiespektren) der Flamme und der inneren Intermittenz in dieser Flammenart durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend zur Entwicklung neuer FR-Verbrennungsmodelle für LES verwendet. Insbesondere wurde das Eddy-Dissipation-Konzept (EDC) durch Modifikation der Koeffizienten und des Intermittenzfaktors im Modell verbessert. Einerseits geht diese Modifikation aus einer theoretischen Basis hervor, die neuen Kenntnisse der spektralen Eigenschaften beinhaltet. Andererseits ergibt sich die Modifikation des Intermittenzfaktors von EDC aus einer direkten Anwendung der beobachteten Skalierung von Dissipationsschwankungen. Es wurde festgestellt, dass die Statistik der Geschwindigkeitsgradienten in der Nähe der Mittelebene der reaktiven Jets derjenigen von den nichtreaktiven Jets auf der Mittellinie einer Nachlaufströmung, einer gittererzeugten Turbulenz oder auch einer erzwungenen Box-Turbulenz folgt. Darüber hinaus wurden existierende "Scale Similarity'' (SS) Modelle für LES anhand der DNS-Daten a priori bewertet und neue dynamische SS Modelle, die auf der Germano Identität basieren, entwickelt und anhand der a priori DNS-Analyse weiter bewertet.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 23 Oct 2020 08:59
Last Modified: 23 Oct 2020 14:12
DOI: 10.25534/tuprints-00013971
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-139718
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Cuoci, Prof. Alberto
Refereed: 6 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13971
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