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Numerical Modeling and Prediction of Irreversibilities in Sub- and Supercritical Turbulent Near-Wall Flows

Ries, Florian :
Numerical Modeling and Prediction of Irreversibilities in Sub- and Supercritical Turbulent Near-Wall Flows.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Modeling and Prediction of Irreversibilities in Sub- and Supercritical Turbulent Near-Wall Flows
Language: English
Abstract:

Most of heat transport and fluid flow occurring in nature and in technical applications are inherently turbulent. On closer inspection of turbulent flows, a wide range of length and time scales can be observed and it is obvious that these turbulent motions are unsteady, irregular and chaotic. Turbulent structures generally increase the disorder of the system resulting in a loss of available mechanical power, which can be expressed in terms of entropy production. This is the fundamental reason for irreversibilities in turbulent heat and fluid flows, and responsible for decreasing thermodynamic efficiency in many engineering devices. In spite of decades of research in the field of numerical simulations, it is still difficult to predict turbulent flows and causes of irreversibilities accurately. In this respect, large eddy simulations (LES) provide a promising approach, especially in dealing with turbulent flows with large scale, unsteady characteristics. Despite the great potential of LES, the extent of its usage for entropy generation analysis and thermodynamic optimization has been insignificant up to now. This can be mainly attributed to the high challenges in modeling of the unresolved irreversibilities in the subgrid.

The present work is focused on the development of a reliable LES framework combined with the second law of thermodynamics that allows to characterize and optimize sub- and supercritical wall-bounded flow applications. This is progressively accomplished in a series of development steps including (1) the development of reliable numerical treatments to simulate turbulent heat and fluid flow in the context of large eddy and direct numerical simulations (DNS), (2) the development of advanced, wall-adapting subgrid-scale models for momentum transport, heat transport and entropy production, and (3) the generation of comprehensive DNS databases that allow to evaluate the present LES framework under realistic flow situations with complex thermodynamic properties. In order to establish the validity of the present approach, the numerical methods and models are systematically assessed by comparison with experimental and DNS reference data. Finally, the proposed LES framework is utilized to characterize supercritical fuel injection processes and to optimize impingement cooling devices based on the concept of entropy generation minimization (EGM).

Important milestones towards LES as a reliable engineering tool for entropy generation analysis are achieved in this work. In particular, a new wall-adapting one-equation subgrid-scale model is proposed, which provides the correct asymptotic behavior in the near-wall region without using any ad-hoc or dynamic procedure. Regarding the subgrid-scale heat flux, a thermodynamically consistent heat flux model suitable for wall-bounded turbulent heat transport is proposed. Finally, using the inertial-convective subrange theory, appropriate closure terms for the subgrid-scale entropy generation related to friction loss and heat transport are derived. The developed LES framework is then used to characterize supercritical injection processes and to optimize impingement cooling. Based on entropy generation analysis, distinctive features of the disintegration process under supercritical conditions are described and optimal designs for impingement cooling devices are identified.

This work demonstrates, that LES combined with second law analysis is a very valuable and viable tool for predictive engineering and design optimization of complex heat and fluid flow applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die meisten Strömungs- und Wärmetransportvorgänge in Natur und Technik sind turbulent. Bei genauerer Betrachtung solcher turbulenten Strömungen kann man ein breites Spektrum an instationären, unregelmäßigen und chaotischen Strukturen beobachten. Turbulente Strukturen erhöhen die Unordnung eines Strömungssystems, verbunden mit einem Verlust an verfügbarer mechanischer Energie. Dies kann durch Entropieproduktion beschrieben werden und ist die Hauptursache für Irreversibilitäten in turbulenten Strömungen, welche verantwortlich für thermodynamische Verluste in zahlreichen Ingenieursanwendungen sind. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der numerischen Berechnungsverfahren bleibt es anspruchsvoll turbulente Strömungen und hierbei auftretende Irreversibilitäten akkurat vorherzusagen. Diesbezüglich bieten vor allem Grobstruktursimulationen (LES) einen vielversprechenden Ansatz zur Berechnung von instationären Strömungen mit großskaligen turbulenten Strukturen. Trotz des großen Potenzials von LES, findet diese Technik hinsichtlich Entropieproduktionsanalysen und thermodynamischer Optimierung kaum Anwendung, welche vor allem der komplizierten Feinstrukturmodellierung von Irreversibilitäten geschuldet ist. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung einer verlässlichen LES Methode, die eine Charakterisierung und Optimierung basierend auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik von unter- und überkritischen Strömungsanwendungen erlaubt. Dies beinhaltet: (1) die Entwicklung geeigneter numerischer Verfahren zur Berechnung von turbulenten Strömungen mit Wärmetransport im Rahmen von LES und direkten numerischen Simulationen (DNS), (2) die Entwicklung von wandangepassten Feinstrukturmodellen für den Impulstransport, Wärmetransport und Entropieproduktionsraten, und (3) die Erstellung eines umfangreichen DNS Referenzdatensatzes zur Beurteilung der LES Methode unter realitätsnahen Strömungsbedingungen und komplexen thermodynamischen Fluideigenschaften. Die Beurteilung der entwickelten numerischen Methoden und Modelle erfolgt außerdem durch einen systematischen Vergleich mit experimentellen und DNS Daten aus einschlägiger Literatur. Das vorgeschlagene Gesamtmodell wird abschließend zur Charakterisierung von überkritischen Treibstoffeinspritzungen und zur thermodynamischen Optimierung von Prallkühlvorrichtungen genutzt. In der vorliegenden Arbeit sind wesentliche Meilensteine bezüglich der Entwicklung eines verlässlichen Ingenieurswerkzeugs zur Entropieproduktionsanalyse mittels LES erreicht worden. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Entwicklung eines wandangepassten Ein-Gleichungs-Feinstrukturmodells, welches ohne die Verwendung von ad-hoc Verfahren oder dynamischer Prozeduren in der Lage ist, das korrekte Wandverhalten wiederzugeben. Ein weiterer wesentlicher Beitrag ist die Entwicklung eines thermodynamisch konsistenten Wärmeflussmodells. Zusätzlich konnte, basierend auf der Turbulenztheorie, ein analytischer Zusammenhang zwischen der Entropieproduktion in den Feinstrukturskalen und den aufgelösten Grobstrukturskalen gefunden werden. Das entwickelte Gesamtmodell wird abschließend dazu genutzt, um überkritische Treibstoffeinspritzungen zu charakterisieren und Prallkühlvorrichtungen zu optimieren. Die Analyse der Entropieproduktionen erlaubt einerseits die Bestimmung der charakteristischen Merkmale des Strahlzerfalls bei überkritischen Betriebszuständen und andererseits eine thermodynamisch optimale Auslegung von Prallkühlvorrichtungen. Aus der vorliegenden Arbeit geht klar hervor, dass Entropieproduktionsanalysen mittels LES eine sehr wertvolle und umsetzbare Methode zur Vorausberechnung und Optimierung von komplexen Strömungsanwendungen mit Wärmetransport darstellt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 28 Oct 2019 14:12
Last Modified: 28 Oct 2019 14:12
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91604
Referees: Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Janicka, Prof. Dr. Johannes and Klein, Prof. Dr. Markus
Refereed: 26 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9160
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