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Tracking and analysis of flamelet structures in turbulent non-premixed combustion

Dietzsch, Felix :
Tracking and analysis of flamelet structures in turbulent non-premixed combustion.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tracking and analysis of flamelet structures in turbulent non-premixed combustion
Language: English
Abstract:

In this thesis, two approaches to analyze flamelet structures in turbulent non-premixed combustion are presented. The analyses are based on a highly resolved direct numerical simulation (DNS) of a temporally evolving turbulent syngas jet flame that was conducted to this end. First, the simulation is analyzed by means of a novel on-the-fly tracking procedure to assess the model assumptions of a recently published extended flamelet formulation, which in contrast to the classical flamelet model, explicitly accounts for flame-tangential transport effects. After the extended model is modified to describe flamelets in a Lagrangian manner, flamelets are tracked in the DNS with the help of tracer particles that are attached to the iso-surface of stoichiometric mixture fraction. At each time step, gradient trajectories (flamelets) are emitted from these particles and are traced along the ascending and descending gradient until a local extremal point is reached. The on-the-fly tracking procedure thus allows a detailed analysis of single flamelets in turbulent flames and a full reconstruction of flamelet histories for the first time. In a second step, the history of flamelet identities is recomputed by means of a flamelet solver and a distinction is made between three different approaches (i) the classical flamelet (FLT), (ii) the curvature-affected flamelet (FLT-C) and (iii) the multi-dimensional flamelet (FLT-MD). Comparing the results of the recomputed histories with the DNS, it turns out that the FLT and FLT-C approaches mostly fail to reproduce the DNS results. On the other hand, the full extended FLT-MD approach agrees very well with the DNS for all identities considered, indicating that curvature-induced flame-tangential transport is an important aspect to consider in flamelet modeling. The study is complemented by a budget analysis of instantaneous flamelet identities, with which it is possible to quantify transient effects for the first time. The second approach analyzing flamelet structures consists in decomposing the mixture fraction field into small subunits called “dissipation elements”. Dissipation elements are defined as the ensemble of all gradient trajectories that end at the same local extremal points (minimum and maximum). However, in contrast to the on-the-fly tracking this procedure is applied during the postprocessing of the DNS and allows to identify all gradient trajectories. Originally developed for the statistical analysis of non-reacting flows, this methodology promotes novel flamelet-based modeling strategies. Classifying dissipation elements according to the location of their extremal points, statistics are computed and analyzed for two instants of time, considering the Euclidean distance l of the extremal points, the scalar difference ∆Z, the arithmetic mean Zm and an approximate gradient g = ∆Z/l . These statistics lead to further conclusions regarding the location of dissipation elements in mixture fraction space and how they are affected by turbulent mixing. Last, joint statistics of the temperature and the species mass fraction of OH with respect to g are inspected. It turns out, that there exists a strong correlation between the approximated gradient g and the quantities T and YOH, respectively.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit werden zwei Methoden zur Analyse von Flamelet-Strukturen in turbu- lenter nicht-vorgemischter Verbrennung vorgestellt. Die Analysen basieren auf einer eigens hierfür durchgeführten hoch aufgelösten direkten numerischen Simulation (DNS) einer sich zeitlich en- twickelnden turbulenten Syngas Jetflamme. Zunächst wird die Simulation mittels einer neuartigen on-the-fly Trackingprozedur analysiert und Modellannahmen eines kürzlich veröffentlichten erweit- erten Flameletmodells, das im Gegensatz zum klassischen Flameletmodell flammentangentialen Transport berücksichtigt, werden bewertet. Nachdem das erweiterte Modell hinsichtlich einer Lagrangen Beschreibungsweise modifiziert wurde, werden Flamelets mit Hilfe von Tracerpartikeln, die mit der Isofläche stoichiometrischer Mischung verknüpft sind, verfolgt. Ausgehend von diesen Partikeln werden in jedem Zeitschritt Gradiententrajektorien (Flamelets) emittiert und entlang des aufsteigenden und abfallenden Gradienten verfolgt bis ein lokaler Extrempunkt erreicht wird. Damit ermöglicht die on-the-fly Trackingprozedur erstmals eine detaillierte Analyse einzelner Flamelets in turbulenten Flammen und eine vollständige Rekonstruktion von Flamelethistorien. In einem zweiten Schritt, wird die Historie einiger Flameletidentitäten mittels eines Flameletlösers nachberechnet, wobei zwischen folgenden 3 Methoden unterschieden wird: (i) das klassische Flamelet (FLT), (ii) krümmungsbeeinflusstes Flamelet (FLT-C) und (iii) multi-dimensionales Flamelet (FLT-MD). Vergleicht man die Ergebnisse der nachberechneten Historien mit der DNS, zeigt sich, dass die FLT und FLT-C Methode in den meisten Fällen die DNS Ergebnisse nicht reproduzieren können. Im Gegensatz dazu stimmt die FLT-MD Methode mit der DNS für alle Flameletidentitäten sehr gut überein, was beckräftigt, dass krümmungsinduzierter flammentangentialer Transport bei der Flameletmodellierung berücksichtigt werden sollte. Ergänzt wird diese Studie durch eine Budgetanalyse instantaner Flameletidentitäten, wobei mit Hilfe der Trackingprozedur zum ersten mal der Einfluss transienter Effekte quantifiziert werden kann. Die zweite Methode zur Analyse von Flamelet-Strukturen basiert auf der Zerlegung des Mischungs- bruchfeldes in kleine Elemente, die Dissipationselemente genannt werden. Dissipationselemente sind definiert als die Menge alle Gradiententrajektorien, die an den selben lokalen Extrempunkten (Minimum und Maximum) enden. Im Gegensatz zur on-the-fly Trackingprozedur wird diese Meth- ode während der Auswertung der DNS zur Identifikation aller Gradiententrajektorien angewendet. Ursprünglich entwickelt für die statistische Analyse nicht-reaktiver Strömungen, ermöglicht diese Methodik neueartige flameletbasierte Modellierungsstrategien. Basierend auf einer Regimezer- legung der Dissipationselemente, bezogen auf die Lage der Extrempunkte, werden Statistiken hinsichtlich des Euklidischen Abstands l der Extrempunkte, der skalaren Differenz ∆Z, des arith- metischen Mittels Zm und eines approximierten Gradienten g = ∆Z/l für 2 Zeitpunkte ausgewertet und diskutiert. Diese Statistiken lassen weitere Rückschlüsse hinsichtlich der Lage der Dissipationse- lemente im Mischungsbruchraum zu und wie diese durch turbulente Mischung beeinflusst werden. Abschließend werden die gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der Temperatur T und des Speziesmassenbruchs YOH hinsichtlich g betrachtet. Es zeigt sich, dass ein enger Zusammenhang zwischen dem approximierten Gradienten g und den Größen T beziehungsweise YOH besteht.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)
Date Deposited: 14 Feb 2018 13:01
Last Modified: 14 Feb 2018 13:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72189
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Thevenin, Prof. Dr. Dominique
Refereed: 10 January 2018
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7218
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