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Analysis of Combustion LES using an Eulerian Monte Carlo PDF Method

Kühne, Jens :
Analysis of Combustion LES using an Eulerian Monte Carlo PDF Method.
TU Darmstadt- Energie- und Kraftwerkstechnik
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analysis of Combustion LES using an Eulerian Monte Carlo PDF Method
Language: English
Abstract:

The present work focusses on an elaborated analysis of Large Eddy Simulations in the framework of turbulent reacting flows. An Eulerian Monte Carlo PDF transport scheme has been developed and implemented into the existing LES code FLOWSI in order to obtain a sophisticated reference method for detailed investigations of commonly used combustion related LES sub-models. By transporting a statistical representation of sub-filter scalar distributions, additional information for the validation of sub-filter PDF models are provided. The obtained results are used as a basis for model assessments in terms of various modeling aspects in general and in the turbulence-chemistry interaction in particular. The contribution begins with the description of the predominating physical effects corresponding to turbulent combustion and derives the fundamental equations for the mathematical representation of these phenomena. In addition, the basic methods of numerical mathematics are introduced, which serve as an promising tool in the computational fluid dynamics. The described statistical Monte Carlo PDF method is verified and validated employing two generic text cases. Therefore, a pure mixing case as well as a thought experiment including reactive components are considered. The main part of the work is a detailed analysis of a non-premixed turbulent bluff body configuration in terms of model sensitivities and related influences on the results. This includes definitions of inflow boundary conditions, the behavior of the statistical error in Monte Carlo PDF methods and an extensive investigation on the capability of presumed sub-filter PDF approaches. Furthermore, the impact of a more complex chemistry representation employing an additional transported progress variable is evaluated. In this context, an analysis on the statistical independency of the mixture fraction and the reactive progress variable is performed, which is a basic assumption for a multitude of corresponding models. Finally, all constructed hypotheses are proved within two different reactive test cases. These are a Reynolds number variation of the bluff body configuration as well as a non-premixed piloted jet flame. The results obtained in these investigations confirm the assumptions made. On this basis, the achieved knowledge of sensitivities and influences of different approaches and sub-models can be applied as a basis for future model developments in the framework of combustion related Large Eddy Simulations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit stellt eine ausführliche Analyse von Grobstruktursimulationen im Kontext von turbulenten reaktiven Strömungen dar. Die Untersuchungen basieren auf einer Monte Carlo PDF Methode, welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und in den bereits existierenden Strömungslöser FLOWSI eingebunden wurde. Die Verwendung dieser statistischen Beschreibungsweise von Mischungsvorgängen bietet die Möglichkeit, bestehende Modelle für Grobstruktursimulationen zu analysieren und etwaige Schwachstellen herauszuarbeiten. Der Fokus dieser Untersuchung liegt dabei auf dem Teilaspekt der Turbulenz- Chemie-Interaktion und der Bewertung von entsprechenden Modellen. In der Arbeit werden zunächst vorherrschende physikalische Effekte im Zusammenhang von turbulenten Verbrennungsvorgängen beschrieben und die wichtigsten Grundformeln zur mathematischen Darstellung der Phänomene hergeleitet. Zusätzlich werden die wichtigsten Grundzüge der Numerischen Mathematik vorgestellt, die ein wichtiges Werkzeug in der Simulation von Strömungsproblemen darstellt. Darauffolgend wird die vorgestellte Monte Carlo PDF Methode anhand zweier generischer Testfälle verifiziert und validiert. Dabei wird sowohl auf ein reines Mischungsproblem eingegangen als auch ein Gedankenexperiment mit reaktiven Komponenten verwendet. Den Hauptteil der Arbeit bildet die ausführliche Analyse einer nicht-vorgemischten turbulenten Staukörper-stabilisierten Verbrennungskonfiguration im Hinblick auf diverse Modelleinflüsse und -sensitivitäten. Hierzu zählen unter anderem die Definition von Einstromrandbedingungen, das Verhalten des statistischen Fehlers in der Monte Carlo PDF Methode und die detaillierte Untersuchung von angenommenen Sub-Filter PDF Modellen. Zusätzlich wird auch auf die Auswirkungen einer komplexeren Abbildung der ablaufenden chemischen Vorgänge eingegangen, indem eine Methode mit zusätzlich transportierter Fortschrittsvariable implementiert und mit vorher berechneten Referenzergebnissen verglichen wird. In diesem Zusammenhang stehen auch Untersuchungen zur statistischen Unabhängigkeit von Mischungsgrad und Fortschrittsvariable, welche als Voraussetzung für eine Vielzahl von Modellen gilt. Abschließend werden die aufgestellten Hypothesen anhand von Simulationen weiterer reaktiver Testfälle überprüft. Es handelt sich dabei um eine Reynoldszahlvariation der Staukörper-Konfiguration sowie um eine pilotierte turbulente Freistrahlflamme. Die aus diesen Untersuchungen hervorgegangenen Ergebnisse stützen die getroffenen Annahmen und Hypothesen und können somit als Grundlage zu Modellentwicklungen verwendet werden.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Date Deposited: 20 Apr 2011 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25413
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes and Chen, Prof. Dr. Jyh-Yuan
Refereed: 22 March 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2541
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