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Ein hybrides LES/RANS-Verfahren für konjugierte Impuls-, Wärme- und Stoffübertragung mit Relevanz zu Brennkammerkonfigurationen

Kniesner, Björn :
Ein hybrides LES/RANS-Verfahren für konjugierte Impuls-, Wärme- und Stoffübertragung mit Relevanz zu Brennkammerkonfigurationen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ein hybrides LES/RANS-Verfahren für konjugierte Impuls-, Wärme- und Stoffübertragung mit Relevanz zu Brennkammerkonfigurationen
Language: German
Abstract:

Ein wichtiger Aspekt bei der Verbesserung der Lebensdauer, der Umweltverträglichkeit und des generellen Betriebsverhaltens von Gasturbinenbrennkammern ist die richtige Erfassung der instationären Prozesse in der Brennkammer und der thermischen Belastung der Brennkammerwände. Aufgrund der Komplexität der Geometrie und den damit verbundenen numerischen Schwierigkeiten sowie der Forderung nach geringem Rechenaufwand sind in der Industrie für die Strömungsberechnung hauptsächlich auf den zeitgemittelteten Navier-Stokes-Gleichungen beruhende, sogenannte Reynolds-Averaged Navier-Stokes-Verfahren (RANS) im Einsatz. Diese Methode beschreibt gut den generellen Charakter der Strömung. Instationäre Effekte werden hingegen, bedingt durch die zeitliche Mittelung, gar nicht oder nur unzureichend erfasst. Abhilfe kann hier die Methode der Large-Eddy Simulation (LES) schaffen. Diese ist in der Lage, einen großen Teil der Instationarität der Strömung dadurch zu erfassen, dass die großen turbulenten Wirbel, welche hauptverantwortlich für den turbulenten Energietransport sind, direkt aufgelöst werden und nur der Einfluss der kleinen Wirbel modelliert wird. Der Preis dafür ist jedoch ein um ein Vielfaches erhöhter Rechenaufwand, der hauptsächlich dadurch bestimmt wird, dass die wandnahen Regionen ausreichend gut aufgelöst werden müssen. An diesem Punkt setzt das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte zonale hybride LES/RANS-Verfahren an. Sein Ziel ist es, die Vorteile beider bereits erwähnten numerischen Methoden zu kombinieren, um damit ein Berechnungsverfahren bereitzustellen, welches in der Lage ist, die Instationarität der Strömung mit vertretbarem Aufwand zu berechnen. Mit dem entwickelten Verfahren ist es möglich, beliebige Grobstrukturmodelle (LES) mit unterschiedlichen statistischen Modellen (RANS) zu koppeln. Konkret wird dabei auf LES-Seite das Nullgleichungsmodell nach Smagorinsky (1963) in der ursprünglichen und in der dynamischen Form (nach Germano et al., 1991) sowie das Eingleichungsmodell nach Yoshizawa (1985) verwendet. Auf RANS-Seite kommen im Bereich der Zweigleichungsmodelle das Chien-Modell (1982), das Launder-Sharma-Modell (1974) sowie ein auf der homogenen Dissipation (Jakirlic und Hanjalic, 2002) basierendes k-eps_h-Modell zum Einsatz. Als fortgeschritteneres Modell wird das Viergleichungsmodell k-eps-zeta-f (Hanjalic et al., 2004) verwendet. Schlüsselfrage bei der Kopplung sind die Maßnahmen und Verfahren in Bezug auf die Trennfläche zwischen den beiden Methoden. Diesbezüglich werden in der Arbeit drei Verfahren vorgeschlagen. Als erstes ist ein indirektes oder auch implizites Blenden zu nennen, welches auf einfache aber effektive Weise einen möglichst kontinuierlichen Übergang der RANS-Werte zur LES-Seite ermöglicht. Der zweite wesentliche Punkt ist die Verwendung einer speziellen forcing-Technik, welche durch Erzeugung künstlicher, korrelierter Fluktuationen den Informationsverlust durch die starke Dämpfung in der RANS-Schicht ausgleicht. Dabei wird wie auch im ersten Fall vor allem Wert auf Einfachheit, Effizienz und die Anwendbarkeit im Fall komplexer Geometrien gelegt. Der dritte Punkt ist die Verwendung einer variablen, im Laufe der Rechnung sich selbst adaptierenden Trennfläche. Zur Positionierung dieser Trennfläche werden mehrere Möglichkeiten im Programm vorgesehen. Mit Hilfe zahlreicher Testfälle wird die Tauglichkeit des Verfahrens in den unterschiedlichsten Strömungskonfigurationen und Situationen untersucht. Dabei werden sowohl Fälle mit niedrigen, als auch mit hohen Reynoldszahlen, von ihrer Struktur her ein-, zwei- und dreidimensionale, isotherme und temperaturabhängige sowie Probleme mit konstanten und variablen Stoffwerten betrachtet. Es stellt sich heraus, dass das LES/RANS-Verfahren vielversprechende Ergebnisse liefert, die in vielen Fällen eine erhebliche Reduzierung der Gitterpunkte im Vergleich zu einer reinen LES erlauben. Bezüglich der räumlichen Auflösung sind Vergröberungen um einen Faktor von ca. 4 - 8, bezüglich der zeitlichen Auflösung eine Erhöhung der Schrittweite um einen Faktor von 2 - 4 bei vergleichbarem Ergebnis möglich. Insbesondere bei integralen und wandbezogenen Werten zeigt sich beim hybriden Verfahren mit geringfügiger Erhöhung des Aufwands eine deutliche Verbesserung gegenüber der LES auf dem gleichen Gitter. In der Anwendung auf die Strömung und Vermischung in zwei industrierelevanten Brennkammergeometrien inklusive Drallerzeuger lässt sich dieses Verhalten bestätigen, so dass ein wertvolles Werkzeug für die Berechnung zur Verfügung steht. Größter Vorteil liegt bei den aus dem Drallerzeuger kommenden Profilen und den turbulenten Scheinspannungen innerhalb der Kammer, welche nicht die für grobe LES typische starke Überbewertung aufweisen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
An important aspect concerning the improvement of durability, environmental compatibility and general operating performance of gas turbine combustion chambers is the correct representation of the unsteady processes inside the chamber and the thermal load of combustor walls, i.e. the wall temperature development. Due to geometrical complexity and associated difficulties (from the computational point of view) and the demand for low computational costs the so-called RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) methods are mostly in use for industrial flow calculations. These methods describe well the general character of the flow, however, due to the time averaging, the unsteady effects are captured insufficiently or not at all. This fact represents an important weakness when dealing with the flow configurations dominated by the large scale unsteadiness, as encountered e.g. in the separating and reattaching flows. The large-eddy simulation (LES) method, by which the large turbulence eddies are resolved directly and the influence of the small eddies is modelled, is regarded as a suitable remedy for the above-mentioned weaknesses. This method is capable to capture the largest portion of the energy containing eddies being most responsible for the turbulent energy transport. However, the price for this are multiply increased computational costs, which are mainly determined by the fact, that the near-wall region has to be appropriately fine resolved. At this point the hybrid LES/RANS method, whose development was the main objective of the present work, comes into play. The goal is to combine the advantages of LES and RANS in order to provide a method which is capable to capture most of the low range (mean flow) and high range (turbulent fluctuations) frequencies in a turbulent flow but at affordable costs. The hybrid formulation proposed enables combinations of any LES, i.e. Subgrid-stress model in the outer layer (flow core) with different, eddy-viscosity based RANS models employed in the wall region. In the present work both the zero equation model due to Smagorinsky (1963) and its dynamic variant (due to Germano et al., 1991) as well as the one-equation model of Yoshizawa (1985) are applied. In the RANS subregion different two-equation models (e.g., Chien model and Launder-Sharma model) and a model based on the homogeneous dissipation concept k-eps_h$ (Jakirlic and Hanjalic, 2002) are used. The most-advanced turbulence model used in this work is the four equation k-eps-zeta-f model, based on the elliptic-relaxation concept (Hanjalic et al., 2004). Key question in a hybrid LES/RANS model scheme is concerned with the coupling of both methods, the inherently steady RANS method and highly-unsteady LES method, along the interface separating two subregions. In the present work large attention was payed to this problem and following three issues were highlighted. First, an indirect, i.e. an implicit exchange of the depending variables between the LES and RANS subregions was proposed, which in a simple but effective manner enables a smooth transition from the RANS to the LES flow region. Second issue addresses the usage of a special forcing technique, which compensates the loss of information due to strong damping in the RANS region by creation of artificial and correlated fluctuations. Hereby, in line with the first issue great importance is attached to simplicity, efficiency and applicability to complex geometries. The third important point is the utilization of an in-the-course-of-the-simulation self-adjusting interface. For the appropriate interface positioning several options reflecting different control parameters are provided within the computational program. The model validation is conducted interactively by computing numerous test cases of different geometrical complexity featuring different mean flow and turbulence phenomena with relevance to the swirl combustor configurations, including low and high Reynolds number cases, isothermal and temperature dependant cases as well as the flows with constant and variable fluid properties. The results obtained with the newly proposed hybrid LES/RANS method exhibit very good agreement with the available reference (experimental, DNS and highly-resolved LES) database. The employment of the present hybrid model enables a substantial reduction of the number of grid points compared to conventional LES method. Concerning spatial and temporal resolution a coarsening by a factor of 4 to 8 and 2 to 4 respectively is shown to be possible by the results quality being comparable to the LES method. It is particularly valid for the integral and wall-related characteristics, which, at marginal increase of the costs (among others, more equations are solved in the hybrid framework), show a considerable improvement compared to the LES on the same grid. Finally, the results obtained by applying the present hybrid model to the flow and mixing in two industrially relevant combustor geometries (tubo-annular combustor and single-annular combustor) including the entire inlet section with swirl generator could confirm its high predictive capability.English
Uncontrolled Keywords: hybrid, LES, RANS, turbulente Strömung, Wärmeübertragung, Stoffübertragung, Drallerzeuger, Brennkammer
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
hybrid, LES, RANS, turbulente Strömung, Wärmeübertragung, Stoffübertragung, Drallerzeuger, BrennkammerGerman
hybrid, LES, RANS, turbulent flow, heat transfer, mass transfer, swirl combustorEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 10 Dec 2012 10:19
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000950
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9507
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Hanjalic, Prof. Dr.- Kemal
Advisors: Jakirlic, Priv.-Doz. Suad
Refereed: 11 January 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/950
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