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Study of the Performance of different Subgrid-Scale Models and Large Eddy Simulation of Premixed Combustion

Akula, Rajani Kumar :
Study of the Performance of different Subgrid-Scale Models and Large Eddy Simulation of Premixed Combustion.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Study of the Performance of different Subgrid-Scale Models and Large Eddy Simulation of Premixed Combustion
Language: English
Abstract:

Considering the future coming more stringent emission limits, the working condition of the combustors will be more rigorous, and the problems will be more serious. To meet this high industry demand, a deeper and better understanding of the physics of the turbulent combustion process is wanted. In doing this, more accurate computational studies are necessary. Eventhough, direct numerical simulations (DNS) of Navier-Stokes equations can predict turbulence without models; these types of simulations are restricted to very simple geometries. On the otherhand the large eddy simulations (LES) are now viewed as a promising tool to address turbulent combustion flows where classical Reynolds-averaging numerical simulations (RANS) approaches have proved to lack precision or where the intrinsically unsteady nature of the flow makes RANS clearly inadequate. In this thesis large eddy simulation techniques are considered. This work consists of two parts. First, this thesis studies the subgrid-scale (SGS) modelling for large eddy simulations. The aims are to gain deeper understanding of the sensitiveness of the SGS modelling and predict the simple and better model for the further studies. For this purpose, effect of different filter width formulas on Smagorinsky model, robustness of the dynamic model, behaviour of different dynamic procedures, behaviour of mixed models and one equation models are studied. Nevertheless all these models are not capable of predicting the anisotropic nature of the flow phenomena. In this work anisotropic one equation model based on the subgrid scale (SGS) kinetic energy is developed. This model considers an anisotropic eddy viscosity formulation. All these models are tested by considering a turbulent channel flow. Finally some models are tested on rotating channel flow. It is shown that the proposed model achieves a good agreement with the experimental data and significantly outperforms isotropic models. Nevertheless Lagrangian dynamic model also predicts good flow phenomena. The Second part consists of the large eddy simulation of turbulent premixed combustion processes by considering the flame surface density and artificial thickened flame model. For this purpose a simple technique for the density coupling is proposed for the extension of the incompressible solver to variable solver. In this technique, first divergence of the velocity is calculated and then density is updated by using this value. Divergence of the velocity is also used for the treatment of convective outlet boundary condition. Handling of the flame wall interaction is presented. Effect of different flame wrinkling models is studied. For simulations bluff-body stabilized flame is considered. Comparisons between the experimental and numerical results have showed that the numerical method implemented is able to provide promising agreement.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Strenge zukünftige Limitierungen des Schadstoffausstoßes werden große Probleme bei dem Betrieb von Gasturbinen- oder Flugtriebwerksbrennkammern bereiten. Um den steigenden Anforderungen an diese Systeme Rechnung zu tragen ist es notwendig, den involvierten turbulenten Verbrennungsprozess genauer zu untersuchen. Dafür eignen sich detaillierte numerische Untersuchungen. Obwohl die direkte numerische Simulation (DNS) turbulente Strömungen ohne Modellierung abbilden kann, ist sie dennoch aufgrund des hohen Bedarfs an Speicherplatz und Rechenzeit beschränkt auf einfache Konfigurationen. Weniger kritisch ist dieser Punkt in Bezug auf die Grobstruktursimulation (LES, Large Eddy Simulation), welche sich in jüngster Zeit als ein vielversprechendes Werkzeug erwiesen hat, um turbulente Verbrennungsprozesse abzubilden. Im Vergleich zu statistischen Ansätzen (RANS, Reynolds Averaged Navier Stokes) bietet die LES den entscheidenden Vorteil, zeitaufgelöste Informationen zu liefern und trägt damit der inhärent instationären Natur der Strömung Rechnung. Daher ist diese Methode Gegenstand dieser Arbeit, welche aus den folgenen zwei Teilen besteht. Zunächst werden verschiedene Ansätze zur Modellierung der Feinstruktur (SGS, Subgrid-Scale) untersucht. Das Ziel ist dabei, ein besseres Verständnis für die Sensitivitäten der Feinstrukturmodellierung zu erlangen und ein geeignetes, möglichst einfaches Modell für die nachfolgenden Untersuchungen auszuwählen. Hierfür wird der Effekt von verschiedenen Formulierungen des Modells von Smagorinsky mit jeweils verschiedenen Filterweiten untersucht sowie weiterhin die Robustheit der dynamischen Prozedur, das Verhalten verschiedener dynamischer Modelle und kombinierter Modelle und schließlich die Performanz eines Eingleichungsmodells. Die bisher genannten Modelle sind dennoch nicht geeignet, die anisotrope Natur der Strömung wiederzugeben. Daher wird in dieser Arbeit ein anisotropes Eingleichungsmodell basierend auf der kinetischen Energie der Feinstruktur (SGS) entwickelt. Zugrunde liegt eine anisotrope Formulierung der Wirbelviskosität (Eddy Viscosity). Als generischer Testfall für die vorgestellten Modelle dient die Simulation einer turbulenten Kanalströmung. Schließlich werden einige der Modelle noch für die Simulation der Strömung in einem rotierenden Kanal benutzt. Es kann gezeigt werden, dass das entwickelte Modell gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten erzielt. Weiterhin wird noch ein dynamischer Lagrange-Ansatz verwendet. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Grobstruktursimulation turbulenter, vorgemischter Verbrennung. Im speziellen werden das Flame Surface Density Modell sowie der ATF-Ansatz (Artificially Thickened Flame) behandelt. Zu diesem Zweck wird ein einfacher Ansatz zur Dichtekopplung vorgeschlagen, um den inkompressiblen Löser zu erweitern. Dazu wird die Divergenz des Geschwindigkeitsfeldes berechnet und die Dichte wird damit korrigiert. Die Divergenz wird auch für die konvektive Ausstromrandbedingung verwendet. Weiterhin werden eine Behandlung der Flamme-Wand-Interaktion sowie verschiedene Modelle zur Flammfrontfaltung vorgestellt. Als Testfall für die Simulationen dient eine durch einen Staukörper stabilisierte Flamme. Der Vergleich von experimentellen Messdaten und numerischen Ergebnissen zeigt, das die implementierte numerische Methode eine vielversprechende Übereinstimmung liefert.German
Uncontrolled Keywords: Künstlich verdickte Flammen, flammenflächendichte Modelle, vorgemischte Verbrennung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Künstlich verdickte Flammen, flammenflächendichte Modelle, vorgemischte VerbrennungGerman
LES, Turbulent flows, Incompressible flows, Computational fluid dynamics, Reactive flows, Large eddy simulation, turbulence, Subgrid-scale modelling, Premixed combustion, Unsteady combustion, Artificially thickened flame model, Flame surface density modelEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 10 Dec 2012 10:12
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000789
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7891
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes and Pfitzner, Prof. Dr. Michael
Advisors: Janicka, Prof. Dr.- Johannes
Refereed: 6 February 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/789
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