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Advanced flamelet tabulation strategies for Large Eddy Simulations of single- and multi-phase turbulent jet flames

Gierth, Sandro (2022):
Advanced flamelet tabulation strategies for Large Eddy Simulations of single- and multi-phase turbulent jet flames. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021122,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Advanced flamelet tabulation strategies for Large Eddy Simulations of single- and multi-phase turbulent jet flames
Language: English

The constantly increasing demands placed on modern combustion processes in terms of efficiency and pollutant reduction make it necessary to optimize existing combustion processes, develop new ones and use alternative fuels. Numerical simulations help to develop and understand these processes. One efficient combustion modeling methodology is the pre-tabulation of flame structures. For the simulation of non-premixed flames, the so-called Flamelet-Progress-Variable (FPV) approach has been established. This involves the flame structure, which is not resolved in 3D CFD, being modeled using one-dimensional diffusion flames with different strain rates. The progress variable is used as a reactive scalar to describe the reaction progress of these structures. This approach, in combination with the Large Eddy Simulation (LES) of the turbulent flow typically occurring in technical systems, provides very good results for many fields of application. However, the pre-assumption of flame structures implies modeling assumptions that have to be constantly verified for new applications.

For example, it is known how differential diffusion along the flame structure can be modeled. However, the damping of differential diffusion due to turbulent structures must be directly specified when modeling the diffusion within the flame structures. Thus, flames which are strongly influenced by differential diffusion and flames where that influence is not relevant can be modeled well. Experimental data from a non-premixed oxy-fuel jet flame with hydrogen admixture have shown, however, that the effect of differential diffusion can vary locally and for individual species. The first part of the present dissertation examines how suitable modern modeling approaches are for representing this effect. Existing diffusion modeling approaches describing the flame structure with different levels of complexity are systematically compared. The complexity of the resulting flame structure makes it necessary to develop a suitable table parameterization, which is presented in this dissertation. The different approaches are compared in a prior analysis of the flame structure and in coupled LES with experimental Raman/Rayleigh data. In this process, the potential of the individual modeling approaches is elaborated. The identified limitations indicate the need for further research in this area.

Another technical field in which the tabulation of flame structures has become established itself as a valid approach is high-pressure spray combustion, which is relevant for diesel engines. The challenge in this area is to map the multitude of processes occurring during the usually two-stage ignition process up to the formation of pollutants. The tabulation of igniting transient diffusion flames (Unsteady Flamelet Progress Variable Approach, UFPV) provides very good results in a large number of studies. The modeling approaches found in the literature employ a wide range of strain rates. However, the model quality is often very similar with respect to global combustion characteristics. The present dissertation contributes in this respect within the framework of a systematic discussion of the influence of different strain rates in spray simulation. The single-hole injector Spray A defined in the Engine Combustion Network is used as a reference case. This dissertation shows that the strain rate significantly delays the ignition upstream of the flame lift-off length. Moreover, local extinction during ignition is identified for this case. However, its probability is comparatively low. In addition to ignition, the formation of pollutants in these spray flames is a problem of high technical relevance. The challenge here is to formulate the progress variables for the strongly differing time scales of ignition and the slow development of pollutant species such as nitrogen oxides and soot precursors. The present dissertation complements the approaches known in the literature by adding a new progress variable definition. This definition consists of two progress variables, which describe individual processes of ignition and pollutant formation. Their normalized value is added to obtain the progress variable used for the parameterization of the look-up table. The approach is therefore referred to as the Unsteady Flamelet Composed Progress Variable (UFCPV) approach in this dissertation. This approach is verified in a one-dimensional test case with respect to the representation of ignition, combustion and pollutant formation under conditions relevant to the diesel engine. Comparison with the original definition shows the improvement of the approach. The validation of the approach in the 3D simulation is again performed using ECN Spray A. For validation purpose, 355-nm PLIF data and recently published 355-nm high-speed PLIF data are used. These allow a detailed comparison of the spatially and temporally resolved structure of formaldehyde and soot precursors. Here, the simulation shows very good agreement with the experimental data. The validated model is also used to analyze experimentally obtained statements concerning the separation of the above-mentioned species and its dynamic detachment behavior for the first time in a numerical study and to relate them to periodic fluctuations of the mixture fraction field. Its application to the ECN Spray D also serves to investigate the suitability of the model when the nozzle hole diameter is varied. Here, an underestimation of the ignition delay time is found. However, it can be shown from comparison with so far unpublished 355-nm high-speed PLIF data that the resulting flame structure is well reproduced by the experimentally determined morphology when this time offset is included. This suggests that although chemical reactions are initiated too early, the resulting flame structure is valid. The validated model allows the development of a comprehensive overview of the structure of the spray flame, including all relevant variables along the cause-effect chain from injection to gaseous pollutant formation. This is presented for the ECN Spray A and the ECN Spray D.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die stetig steigenden Anforderungen an moderne Verbrennungsprozesse in Bezug auf Effizienz und Schadstoffreduktion machen die Optimierung bestehender und die Entwicklung neuer Verbrennungsprozesse sowie den Einsatz alternativer Kraftstoffe notwendig. Numerische Simulationen liefern hierbei einen Beitrag in der Entwicklung und dem Verständnis dieser Prozesse. Eine effiziente Methodik der Verbrennungs-Modellierung stellt die Vortabellierung von Flammenstrukturen dar. Für die Simulation von nicht-vorgemischten Freistrahlflammen hat sich der sogenannte Flamelet-Progress-Variable (FPV) Ansatz etabliert. In diesem wird die in der 3D-CFD nicht-aufgelöste Flammenstruktur mittels eindimensionaler Diffusionsflammen mit unterschiedlichen Streckungsraten modelliert. Die Fortschrittsvariable dient als reaktiver Skalar der Beschreibung des Reaktionsfortschrittes dieser Strukturen. Dieser Ansatz liefert in Verbindung mit der Grobstruktursimulation der in technischen Systemen typischerweise auftretenden turbulenten Strömung für viele Anwendungsgebiete sehr gute Ergebnisse. Die Vorannahme von Flammenstrukturen impliziert jedoch Modellierungsannahmen, die stetig für neue Anwendungen überprüft werden müssen.

Es ist beispielweise bekannt, wie differentieller Diffusion entlang der Flammenstruktur modelliert werden kann. Die Dämpfung differentieller Diffusion aufgrund turbulenter Strukturen muss jedoch direkt in der Diffusionsmodellierung der Flammenstrukturen vorgebeben werden. Es können somit Flammen mit stark ausgeprägtem Einfluss differentieller Diffusion und Flammen ohne relevanten Einfluss dieser gut abgebildet werden. Experimentelle Daten einer nicht-vorgemischten Oxy-Fuel Jet-Flamme mit Wasserstoffbeimischung haben jedoch gezeigt, dass der Effekt differentieller Diffusion in seiner Ausprägung lokal sowie für einzelne Spezies variieren kann. Die Evaluation moderner Modellierungsansätze für die Abbildung dieses Effektes stellt den ersten Teil der vorliegenden Dissertation dar. Hierbei werden die vorhandenen Ansätze der Diffusionsmodellierung verschiedener Komplexität in der Beschreibung der Flammenstruktur systematisch verglichen. Die Komplexität der resultierenden Flammenstruktur macht hierbei die Erarbeitung einer geeigneten Tabellenparametrierung notwendig, welche im Rahmen der vorliegenden Dissertation präsentiert wird. Die verschiedenen Ansätze werden in einer a-priori Analyse der Flammenstruktur sowie in gekoppelten Grobstruktursimulationen mit experimentellen Raman/Rayleigh Daten abgeglichen. Hierbei werden Potentiale der einzelnen Modellierungsansätze herausgearbeitet. Die identifizierten Limitierungen zeigen den weiteren Forschungsbedarf in diesem Bereich auf.

Ein weiterer technischer Bereich, in dem sich die Tabellierung von Flammenstrukturen als valider Ansatz etabliert hat, stellt die dieselmotorisch relevante Hochdruck-Sprayverbrennung dar. Die Herausforderung besteht in diesem Bereich in der Abbildung der Vielzahl auftretender Vorgänge während des in der Regel zweistufigen Zündverlaufes bis hin zur Schadstoffbildung. Die Tabellierung zündender instationärer Diffusionsflammen (Unsteady Flamelet Progress Variable Approach, UFPV) liefert hierbei in einer Vielzahl von Arbeiten sehr gute Ergebnisse. Der Bereich einbezogener Streckungsraten unterscheidet sich dabei stark zwischen den in der Literatur gezeigten Modellierungsansätzen. Die Modellgüte in Bezug auf globale Verbrennungscharakteristiken ist jedoch oft sehr ähnlich. Die vorliegende Dissertation liefert hierbei einen Beitrag im Rahmen einer systematischen Diskussion des Einflusses verschiedener Streckungsraten in der Spray-Simulation. Als Referenzfall wird der im Engine Combustion Network definierte Einlochinjektor Spray A verwendet. Es wird im Rahmen dieser Dissertation gezeigt, dass die Streckungsrate die Zündung stromauf der Flammen-Abhebelänge verzögert. Zudem wird für diesen Fall lokales Verlöschen während der Zündung identifiziert. Dessen Wahrscheinlichkeit ist aber vergleichsweise gering. Neben der Zündung stellt die Schadstoffbildung in diesen Spray-Flammen ein Problem von hoher technischer Relevanz dar. Die Herausforderung besteht hierbei in der Formulierung der Fortschrittsvariablen für die stark unterschiedlichen Zeitskalen von Zündung und der langsamen Entwicklung von Schadstoffspezies wie Stickoxide und Rußvorläufer. Die vorliegende Dissertation ergänzt hierbei die in der Literatur bekannten Lösungsansätze um eine neue Fortschrittsvariablendefinition. Diese setzt sich aus zwei Fortschrittsvariablen zusammen, welche für sich die einzelnen Prozesse der Zündung und Schadstoffbildung beschreiben. Der Ansatz wir im Rahmen der Dissertation daher als Unsteady Flamelet Composed Progress Variable (UFCPV) Ansatz bezeichnet. Dieser wird in einem eindimensionalen Testfall in Bezug auf die Abbildung von Zündung und Schadstoffbildung unter dieselmotorisch relevanten Bedingungen verifiziert. Zudem zeigt der Vergleich mit der ursprünglichen Definition die Verbesserung des Ansatzes auf. Die Validierung des Ansatzes in der 3D-Simulation erfolgt wiederum anhand des ECN Spray A. Für den Abgleich werden 355-nm PLIF Daten sowie erst kürzlich veröffentlichte 355-nm high-speed PLIF Daten herangezogen. Diese erlauben einen detaillierten Abgleich der räumlich und zeitlich aufgelösten Struktur von Formaldehyd und Rußvorläufern. Hierbei zeigt die Simulation eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Anhand des validierten Modells werden zudem experimentell getroffene Aussagen bezüglich der Separation der genannten Spezies und deren dynamisches Ablöseverhalten erstmals in einer numerischen Studie analysiert und mit periodischen Schwankungen des Mischungsbruchfeldes in Verbindung gebracht. Die Anwendung auf den ECN Spray D dient weiterhin der Untersuchung der Eignung des Modells unter Variation des Düsenlochdurchmessers. Es zeigt sich hierbei eine Unterschätzung der Zündverzugszeit. Es kann aber anhand des Vergleiches mit bisher unveröffentlichten 355-nm high-speed PLIF Daten gezeigt werden, dass die resultierende Flammenstruktur die experimentell ermittelte Morphologie unter Einbezug dieses Zeitversatzes gut wiedergeben wird. Dies legt nahe, dass chemische Reaktionen zwar zu früh initiiert werden, die sich ausbildende Flammenstruktur aber valide ist. Das validierte Modell ermöglicht die Erarbeitung eines umfassenden Überblickes über die Struktur der Sprayflamme unter Einbezug aller relevanten Größen entlang der Wirkkette von der Injektion bis zur Bildung gasförmiger Schadstoffe. Dieser wird für den ECN Spray A und den ECN Spray D präsentiert.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: 107, xxxi Seiten
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 Apr 2022 12:07
Last Modified: 14 Apr 2022 12:07
DOI: 10.26083/tuprints-00021122
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-211223
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Wensing, Prof. Dr. Michael
Date of oral examination: 27 September 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21122
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