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Towards Predictive Large-Eddy-Simulation-based Modeling of Reactive Multiphase Flows using Tabulated Chemistry

Dreßler, Louis Jons (2021):
Towards Predictive Large-Eddy-Simulation-based Modeling of Reactive Multiphase Flows using Tabulated Chemistry. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019511,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Towards Predictive Large-Eddy-Simulation-based Modeling of Reactive Multiphase Flows using Tabulated Chemistry
Language: English
Abstract:

Probably the strongest argument in favor of liquid fuels, compared to gaseous fuels, electrical batteries or mechanical energy storages, is their high energy density at ambient conditions. This contributed to the strong attention dedicated to combustion devices fueled with liquids in the last few decades. At present, liquid fuels are still the primary choice for transport and storage systems. However, in view of their detrimental impact on the environment, it is of the utmost importance to increase the overall efficiency of combustion-driven devices and simultaneously to minimize their environmental impact. From a practical standpoint, the combustion of liquids includes multiple interwoven processes, such as the gradual breakup of large liquid structures into small droplets, the dispersion and evaporation of these droplets, the mixture formation and the subsequent combustion process. With respect to technical applications, all of these processes generally occur under the influence of turbulence, a chaotic, strongly unsteady process, which involves a broad spectrum of time and length scales. The better understanding of these processes is crucial to reach the goals mentioned above. Numerical simulations, beside experimental investigations, play a key role in improving this understanding. In this work, the large eddy simulation (LES) approach is used and further developed to investigate turbulent spray combustion systems while consistently considering the turbulence-chemistry-droplets interaction processes. The LES is combined with a tabulated chemistry approach to represent the detailed kinetics of the combustion reaction. Beside the development of an interface to efficiently apply chemistry tabulation strategies within the finite volume code OpenFOAM, the present work implements and investigates two different approaches to model the interaction of the turbulence and chemistry in the context of LES: the artificially thickened flame (ATF) model and the Eulerian stochastic field (ESF) method. The methodologies are rigorously verified and validated, first in simple test-cases and then in turbulent single phase turbulent combustion. It is shown that the modeling framework is able to reproduce experimental measurements with great accuracy. The final step in this ladder of gradually increasing complexity is to apply the respective frameworks to spray combustion. Thereby, the multiphase system is treated using a two-way coupled Euler-Lagrange approach. For the liquid phase treatment, two novel approaches to represent the interaction of droplets with a thickened flame are proposed and evaluated. By taking into account the relative orientation of flame front and droplet movement using the proposed projection correction method, the overall consistency of the modeling framework is improved. Additionally, a novel strategy to compute turbulent spray combustion based on the ESF method coupled to the chemistry tabulation strategy is proposed. Its predictive capability is demonstrated and it is shown that this novel approach has great potential to evaluate classical turbulence-chemistry interaction models. Therefore, the developed methodologies constitute a significant achievement towards predictive simulations of spray combustion.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ein entscheidender Vorteil flüssiger Brennstoffe, verglichen mit gasförmigen Brennstoffen, elektrischen Batterien oder mechanischen Energiespeichern, ist ihre hohe Energiedichte bei Standardbedingungen. Aus diesem Grund wurde zuletzt der Verbrennung von flüssigen Energieträgern viel Aufmerksamkeit gewidmet. Gegenwärtig ist der Einsatz flüssiger Brennstoffe im Transportsektor oder im Bereich der Energiespeicherung unverzichtbar. Angesichts der mit einhergehenden Schadstoffaustoße ist es essenziell, nicht nur die Effizienz von Verbrennungssystemen zu steigern, sondern auch ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Aus praktischer Sicht beinhaltet die Verbrennung von Flüssigkeiten eine Vielzahl gekoppelter Prozesse, wie das Aufbrechen großer Flüssigkeitsstrukturen in kleine Tröpfchen, die Dispersion und Verdampfung jener Tröpfchen, die Gemischbildung und den anschließenden Verbrennungsprozess. Im Hinblick auf technische Anwendungen laufen diese Prozesse in der Regel unter dem Einfluss von Turbulenz ab, einem chaotischen, stark instationären Prozess, der ein breites Spektrum an Zeit- und Längenskalen umfasst. Das bessere Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend, um die oben genannten Ziele zu erreichen. Numerische Simulationen spielen, neben experimentellen Untersuchungen, eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung dieses Verständnisses. In dieser Arbeit wird der Large Eddy Simulation (LES) Ansatz verwendet und weiterentwickelt, um die turbulente Sprayverbrennung zu untersuchen und dabei die Turbulenz-Chemie-Tropfen-Wechselwirkungsprozesse umfassend zu berücksichtigen. Die LES wird mit dem Ansatz der tabellierten Chemie kombiniert, um die detaillierte Kinetik der Verbrennungsreaktion darzustellen. Da die größeren turbulenten Strukturen aufgelöst und nur die kleineren Skalen modelliert werden, können mit der LES die wesentlichen Merkmale der Strömung unter Einsatz überschaubarer Rechenkosten wiedergegeben werden. Neben der Entwicklung einer Schnittstelle zur effizienten Anwendung von Chemie-Tabellierungsstrategien innerhalb des Finite Volumen Code OpenFOAM werden zwei verschiedene Ansätze zur Modellierung der Interaktion von Turbulenz und Chemie im LES-Kontext implementiert und untersucht: Das Modell der künstlich aufgedickten Flamme (artificially thickened flame-ATF) und die Eulersche stochastische Feldmethode (Eulerian stochastic fields-ESF). Die Methoden werden systematisch verifiziert und validiert, zuerst in einfachen Testfällen und anschließend für turbulente Gasphasenverbrennung. Dabei wird gezeigt, dass das Framework in der Lage ist, experimentelle Messungen mit großer Genauigkeit zu reproduzieren. Der letzte Schritt ist die Anwendung der jeweiligen Ansätze auf die Sprayverbrennung. Die reaktive Zweiphasenströmung wird dabei durch einen Zweiwege-gekoppelten Euler-Lagrange Ansatz beschrieben. Für die Behandlung der flüssigen Phase werden zwei neuartige Ansätze zur Beschreibung der Wechselwirkung von Tropfen mit einer aufgedickten Flamme vorgeschlagen, erprobt und bewertet. Durch die Berücksichtigung der relativen Orientierung der Flammenfront und der Tropfenbewegung wird die Gesamtkonsistenz der Modellierung verbessert. Zusätzlich wird eine neue Strategie zur Berechnung der turbulenten Sprayverbrennung basierend auf der ESF-Methode in Verbindung mit der Chemietabellierung vorgeschlagen. Die Vorhersagefähigkeit des Ansatzes wird belegt und es wird gezeigt, dass diese Methode großes Potenzial aufweist, um klassische Turbulenz-Chemie-Interaktionsmodelle zu bewerten. Daher stellen die entwickelten Methoden einen wesentlichen Schritt in Richtung prädiktiver Simulationen der Sprayverbrennung dar.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xx, 153 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 05 Oct 2021 06:54
Last Modified: 05 Oct 2021 06:54
DOI: 10.26083/tuprints-00019511
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-195119
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Krieger Filho, Prof. Dr. Guenther Carlos
Refereed: 14 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19511
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