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Numerical Simulation of Reacting Flows under Laminar Conditions with Detailed Chemistry

Contreras Espada, Jesús :
Numerical Simulation of Reacting Flows under Laminar Conditions with Detailed Chemistry.
TU Darmstadt / EKT
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Dissertation zum Thema "Numerische Berechnung reagierender Strömungen unter laminaren Bedingungen mit detaillierter Chemie" - PDF
Diss_2010_11_21.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Simulation of Reacting Flows under Laminar Conditions with Detailed Chemistry
Language: English
Abstract:

Many industrial applications deal with chemical reactive systems under laminar conditions. Processes like combustion, chemical vapour deposition, coatings, oxidations and many others often times occur in a laminar flow regime, where the reaction rates are controlled by the molecular diffusion of the reactants. Laminar flames are considered nowadays an illustrative example of the combustion phenomenon and its experimental and detailed numerical analysis is an essential part in the modelling of turbulent combustion processes as well as for pollutant formation. The coupling of an academic CFD code (FASTEST-3D) and a chemical kinetics solver (CHEMKIN) has allowed the calculation of several configurations involving combustion under laminar conditions. The results have been compared with the literature and verified against calculations carried out with a commercial code (FLUENT). In the coupling, FASTEST-3D solves the transport equations for mass, momentum, energy and species using the source terms for species and energy provided by CHEMKIN. The information required by the chemistry solver, which is provided by the CFD code, are the species concentrations and the temperature value for each control volume. The transport properties of the different species (diffusion and viscosity) are as well given by CHEMKIN as a function of temperature through its “transport database”. An “operator-splitting” procedure (Strang-Marchuk splitting) has been used for the treatment of source terms in the species and energy transport equations. This procedure consists of solving, in a first step, the mechanical problem for half of the time step, then the chemical source terms are calculated for a full time step and finally the loop is closed by solving the flow equations for the remaining half time step. The influence of critical characteristics like the Courant number or the temporal discretization has been analysed in a 1D configuration (perfectly stirred reactor) and finally some 3D cases have been calculated: · H2 diffusion flame in a micro-combustor · H2 premixed flame (lean mixture) in a Bunsen burner · Cold wall stabilized CH4 premixed flame (stoichiometric mixture) · H2 premixed flame (lean mixture) in the EKT standard burner For the sake of simplicity and to achieve a faster convergence the first three calculations were performed with constant properties (density and viscosity). For the simulation of an H2 premixed flame in the EKT standard burner, all properties were treated as temperature dependant. The simulations showed qualitative and quantitative consistency between the results provided by FASTEST-3D – CHEMKIN, the commercial code, and those available in the literature.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Viele industriellen Anwendungen befassen sich mit chemisch-reagierenden Systeme unter laminaren Bedingungen. Prozesse wie Verbrennung, chemische Gasphasenabscheidung, Beschichtungen, Oxydationen und viele andere können im laminaren Zustand stattfinden, wo die Reaktionsraten durch die molekulare Diffusion der Reaktanten limitiert sind. Laminare Flammen werden heutzutage als erläuterndes Beispiel des Verbrennungsphänomens betrachtet, deren experimentelle und detaillierte numerische Analyse eine essenzielle Rolle, sowohl bei der Modellierung turbulenter Verbrennung als auch bei der Entstehung von Schadstoffen, spielt. Die Kopplung eines akademischen CFD-Codes (FASTEST-3D) und eines chemischen Kinetik Solver (CHEMKIN) hat die Berechnung verschiedener Konfigurationen ermöglicht, die Verbrennung unter laminaren Bedingungen umfassen. Die Ergebnisse wurden mit der Literatur und mit Berechnungen, die mit einem kommerziellen Code (FLUENT) durchgeführt wurden, verglichen. In der Kopplung benutzt FASTEST-3D die von CHEMKIN berechneten Quellterme für Spezieskonzentration und Energie um die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie und Speziesmassenbruch. Die vom chemischen Solver benötigte Information besteht aus Spezieskonzentrationen und Temperaturen in jedem Kontrollvolumen und wurde vom CFD-Code geliefert. Die Stoffeigenschaften der unterschiedlichen Spezies (Diffusionskoeffizienten und Viskosität) werden als temperaturabhängige Funktionen vom „CHEMKIN Transport Database“ übernommen. Ein “Operator-Splitting”-Verfahren (Strang-Marchuk Splitting) wurde für die Behandlung von den, in den Speziesmassenbruch- und Energieerhaltungsgleichungen existierenden Quelltermen, angewendet. Das Verfahren besteht aus drei Schritten. Im ersten wird das mechanische Problem für einen halben Zeitschritt gelöst, dann werden die chemischen Quellterme für einen ganzen Zeitschritt berechnet und schlussendlich wird den Kreislauf geschlossen, indem die Strömungsgleichungen für den übrigen halben Zeitschritt gelöst werden. Der Einfluss von kritischen Eingaben wie die Courant-Zahl oder die zeitliche Diskretisierung wurde in einer 1D-Konfiguration (perfekt durchmischter Reaktor – PSR) analysiert und letztendlich wurden vier 3D-Fälle berechnet und evaluiert: · H2-Diffusionsflamme in einem Mikro-Brenner · H2-Vormischflamme (brenngasarme Mischung) in einem Bunsenbrenner · CH4-Vormischflamme stabilisiert an kalter Wand (stöchiometrische Mischung) · H2-Vormischflamme (brenngasarme Mischung) im EKT-Standardbrenner Die ersten drei Berechnungen wurden der Einfachheit halber und zum Erreichen einer schnelleren Konvergenz mit konstanter Dichte und Viskosität berechnet. Für den vierten Fall wurden alle Eigenschaften temperaturabhängig betrachtet. Simulationen zeigen qualitative und quantitative Konsistenz zwischen den von FASTEST-3D – CHEMKIN generierten Resultaten und den in der Literatur existierenden Daten. Auch der Vergleich mit Berechnungen, die mit dem kommerziellen Code durchgeführt wurden, zeigt eine gute Übereinstimmung.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Date Deposited: 01 Dec 2010 14:04
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23306
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 8 December 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2330
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