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Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion

Obando Vega, Pedro (2022):
Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020187,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion
Language: English
Abstract:

Flamelet based methods assume thin flame structures with significantly smaller time scales compared to the flow. Exploiting this feature, the chemistry description can be parametrized in terms of few controlling variables resulting in significant computational time reduction. Tackling premixed turbulent combustion, the FTACLES (Filtered Tabulated Chemistry for LES) combustion model is based on the direct application of a filtering operator to one-dimensional laminar flamelets. Given the flexibility and simultaneous simplicity due to the absence of additional assumptions that the concept offers, the model extension for turbulent diffusion flames without SGS wrinkling has been proposed by Coussement. The model has been applied to 1-D and 2-D unresolved counterflow flame configurations and encouraging results have been reported. However, the model extension as to consider a more realistic configuration had not yet been done.

This work addresses the application of non-premixed filtered tabulated chemistry as a turbulent combustion modeling strategy in the LES framework. On the first part of this study the effects of the filtering operation on non-premixed flamelets are carefully appraised, considering an individual flamelet and the entire manifold. Subsequently, a systematic approach is followed where first the numerical implementation is verified. Afterwards validation is done on a coflow laminar diffusion flame, where promising results encourage the further model appraisal on a more complex turbulent configuration. This is finally achieved under turbulent conditions of Flames D and E, where the formalism including a SGS wrinkling modeling function adequately describes the wrinkled flame front features.

The formalism assessment on a laminar coflow diffusion flame reveals a considerable sensitivity to the flame dimensionality. A flame sensor based on the mixture fraction gradient, with a tolerance to take into account the numerical grid resolution, is introduced and proves to deliver satisfactory results. The sensor-determined model activation allows to adequately represent the underlying physics behind flame filtering and so it endorses the consistency of the numerical procedure. The evaluation of the non-premixed FTACLES model on turbulent flames D and E demonstrates that the formalism coupling with a SGS wrinkling modeling function can adequately describe the wrinkled flame front condition. The model performs significantly well employing a three-dimensional tabulation strategy, where the numerical grid is coupled with the model by the third parameter, i.e. the computational cell size. The predictions for both the major stable species and the minor ones accurately correspond with the undergoing physics.

The obtained results have a deep theoretical implication for the combustion research. First, they confirm the idea that SGS closure in diffusive combustion can be derived based on filtering arguments, and not only based on statistical approaches. Second, they demonstrate the enormous potential of the non-premixed FTACLES formalism once a sound flame sensor and a SGS wrinkling modeling function are included.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Flamelet-basierte Modelle zur Beschreibung turbulenter Flammen gehen von der gedanklichen Annahme aus, dass turbulente Flammen aus kleinen laminaren „Flämmchen“ (dünnen Flammenstrukturen mit deutlich kleineren Zeitskalen im Vergleich zur Strömung), den so genannten „flamelets“ aufgebaut sind. Angesichts dieser Eigenschaft lässt sich der Verbrennungsprozess durch einige wenige Kontrollvariablen parameterizieren, was eine signifikante Reduzierung der benötigten Rechenzeit zur Folge hat. Das FTACLES (Filtered Tabulated Chemistry for LES)-Verbrennungsmodell, welches in erster Linie zur Beschreibung turbulenter vorgemischter Verbrennung ausgelegt wurde, basiert auf der direkten Anwendung eines Filteroperators für eindimensionale laminare Flamelets. Da das Konzept gleichzeitig enorme Flexibilität und einfache Handhabung mit keinen zusätzlichen Annahmen bietet, wurde von Coussement eine Erweiterung des Modells für turbulente Diffusionsflammen ohne Feinstruktur (subgrid scale (SGS))-Verwickelung vorgeschlagen. Das neue Modell (FTACLES für nicht-vorgemischte Verbrennung) wurde auf nicht-aufgelöste ein- und zweidimensionale Gegenstrom-Flammenkonfigurationen angewendet. Ermutigende Ergebnisse konnten berichtet werden. Die Evaluierung des Ansatzes anhand einer praxis-realistischeren Konfiguration ist jedoch noch nicht unternommen worden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich nun mit der Entwicklung und Anwendung des Modells (FTACLES für nicht-vorgemischte Verbrennung) im Large Eddy Simulation (LES)-Kontext. Im ersten Schritt werden die Effekte der Filteroperation auf nicht-vorgemischte Flamelets, und zwar unter Berücksichtigung sowohl der individuellen Flamelets als auch des gesamten Manifolds sorgfältig bewertet. Anschließend wird eine systematische Vorgehensweise verfolgt, bei der zunächst die numerische Implementierung überprüft bzw. verifiziert wird. Danach erfolgt die Validierung anhand einer laminaren Coflow-Diffusionsflamme. Die erzielten vielversprechenden Ergebnisse geben Anlass die Tauglichkeit dieses Modells anhand einer komplexeren turbulenten Konfiguration zu beurteilen. Die umfassende Bewertung der Vorhersagekraft des Modells geschieht im letzten Schritt unter turbulenten Bedingungen der so genannten Flammen D und E, wobei der Ansatz in Kopplung mit einer SGS-Verwickelungsmodellfunktion und dem vorgeschlagenen Flammentensor eine adäquate Beschreibung der verwickelten Flammenfront ermöglicht.

Die Untersuchung anhand der laminaren Diffusionsflamme offenbart einen deutlichen Einfluss der Dimensionalität der Flamme auf die Resultate. Ein Flammensensor, basierend auf dem Gradienten des Mischungsverhältnisses, mit einer gewissen Toleranz zur Berücksichtigung der numerischen Gitterauflösung, wird eingeführt. Der erweist sich geeignet, um zufriedenstellende Ergebnisse erzielen zu können. Die sensorgesteuerte Modellaktivierung ermöglicht eine adäquate Beschreibung der zugrunde liegenden Physik hinter der Flammenfilterung, und bestätigt somit die Konsistenz der numerischen Prozedur. Die Evaluierung des nicht-vorgemischten FTACLES-Modells anhand von turbulenten Flammen zeigt, dass die Kopplung des Ansatzes mit einer SGS-Verwickelungsmodell-funktion die Charakteristiken einer verwickelten Flammenfront ausreichend beschreiben kann. Unter Verwendung einer dreidimensionalen Tabellierungsstrategie, bei der das numerische Gitter mit dem Modell über den dritten Parameter, hier die Größe der Gitterzelle, gekoppelt ist, zeigt das Modell eine signifikant höhere Vorhersagekraft. Die Vorhersagen der stabilen Hauptspezies und der Minor-Spezies stehen in guter Übereinstimmung mit der physikalischen Erfahrung.

Die hier erzielten Ergebnisse haben eine tiefe theoretische Bedeutung für die Verbrennungsforschung. Zunächst wird die Idee bestätigt, dass die SGS-Modellierung eines diffusiven Verbrennungsprozesses anhand von Filterargumenten abgeleitet werden kann, und nicht nur anhand einer statistischen Approximation. Zweitens wird das enorme Potenzial des nicht-vorgemischten FTACLES-Formalismus in Kopplung mit einem geeigneten Flammensensor und einer physikalisch konsistenten SGS-Verwickelungsmodellfunktion demonstriert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 129 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 12 Jan 2022 12:24
Last Modified: 12 Jan 2022 12:24
DOI: 10.26083/tuprints-00020187
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-201873
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Parente, Prof. Dr. Alessandro
Refereed: 19 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20187
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