Adaptive Methods for Multiscale and Multiphysics Simulation of Hydrogen Applications

The transition to carbon-neutral energy systems requires combustion technologies that significantly reduce emissions. Hydrogen is a particularly promising energy carrier because it enables carbonfree operation. However, its low molecular weight and high diffusivity can cause thermodiffusive instabilities. Its low density requires high injection velocities, which lead to strong compressibility effects and underexpanded jets. Additionally, practical combustors exhibit a wide range of spatial and temporal scales, from acoustics and coherent structures to flame fronts and turbulent–nonturbulent interfaces, all of which can interact with the new physics introduced. This thesis addresses these challenges by developing and validating a multi-physics Large-Eddy Simulation (LES) model for hydrogen applications. A two-equation quasi-dynamic (QD) k–l_sfs closure, where both turbulent kinetic energy and an effective filter width are transported, is proposed. The model provides the memory and scale awareness needed to combine the Artificially Thickened Flame (ATF) model with Adaptive Mesh Refinement (AMR). Systematic tests in canonical flows and a premixed hydrogen jet flame show that the proposed closure reduces commutation errors at refinement interfaces and accurately reproduces fine-grid flame statistics on adaptive meshes. Building on this LES model, the thesis examines mixture formation in compressible hydrogen jets used in direct injection. A compressible multi-species solver is used to investigate the onset of turbulence and mixing in underexpanded hydrogen jets, reconciling previously conflicting numerical and experimental results. Complementary direct numerical simulations of a temporally evolving hydrogen jet are then employed to analyze turbulent–non-turbulent interfaces (TNTIs) under strong density and viscosity stratification, offering new insights into the relationship between interface geometry, vorticity, and scalar transport, and evaluating suitable interface markers for filtered fields. Finally, the thesis revisits multi-regime (MR) hydrogen combustion, where premixed, non-premixed, and stratified burning modes coexist. A regime-aware ATF strategy is proposed, in which ATF is selectively deactivated in non-premixed regions identified by a Takeno flame index, avoiding artificial thickening of non-premixed flames while retaining ATF and turbulence–chemistry closure where appropriate. Applied to an MR burner configuration, the combination of QD k–l_sfs, MR-ATF, and AMR reproduces overall flame topology, regime distributions, and thermo-chemical statistics with good accuracy. This validates the proposed LES model across a wide range of test cases and advances understanding of hydrogen-mixture formation.

Der Übergang zu klimaneutralen Energiesystemen erfordert Verbrennungstechnologien, die Emissionen deutlich reduzieren. Wasserstoff ist ein besonders vielversprechender Energieträger, da er einen kohlenstofffreien Betrieb ermöglicht. Seine geringe Molekülmasse und hohe Diffusivität können jedoch thermodiffusive Instabilitäten auslösen. Aufgrund seiner niedrigen Dichte sind zudem hohe Einspritzgeschwindigkeiten erforderlich, die ausgeprägte Kompressibilitäts-Effekte und unterexpandierte Strahlen verursachen. Darüber hinaus weisen reale Brennsysteme eine große Bandbreite räumlicher und zeitlicher Skalen auf, von akustischen Moden und kohärenten Strukturen bis hin zu Flammenfronten und turbulent–nicht-turbulenten Grenzflächen, die mit den neu eingeführten physikalischen Effekten wechselwirken können. Diese Arbeit begegnet diesen Herausforderungen durch die Entwicklung und Validierung multiphysikalischer LES , die speziell für Wasserstoffanwendungen ausgelegt ist. Zentrales Element ist ein Zwei-Gleichungs-Modell mit der quasi-dynamischen Procedure (QDk-l_sfs), in dem sowohl die turbulente kinetische Energie als auch eine effektive Filterbreite transportiert werden. Dadurch wird die erforderliche zeitliche Gedächtniswirkung und Skaleninformation bereitgestellt, um das Artificially Thickened Flame (ATF)-Modell konsistent mit adaptiver Gitterverfeinerung (Adaptive Mesh Refinement, AMR) zu kombinieren. Systematische Untersuchungen in kanonischen Strömungen sowie an einer vorgemischten Wasserstoffstrahlflamme zeigen, dass das vorgeschlagene Modell Kommutationsfehler an Verfeinerungsschnittstellen reduziert und Flammenstatistiken feiner Referenzgitter auf adaptiven Netzen zuverlässig reproduziert. Aufbauend auf diesem LES-Modell wird die Gemischbildung in kompressiblen Wasserstoffstrahlen untersucht, wie sie bei der Direkteinspritzung auftritt. Ein kompressibler Löser wird eingesetzt, um die Turbulenzentstehung und Durchmischung zu analysieren und zuvor widersprüchliche numerische und experimentelle Befunde in Einklang zu bringen. Ergänzend werden indirekte Numerische Simulationen (DNS) eines zeitlich entwickelnden Wasserstoffstrahls durchgeführt, um turbulent–nicht-turbulenten Grenzflächen (TNTI) unter starker Dichte- und Viskositätsstratifizierung zu untersuchen. Diese liefern neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen Grenzflächengeometrie, Wirbelstärke und Skalartransport und ermöglichen die Bewertung geeigneter Grenzflächenmarker für gefilterte Felder. Abschließend wird die Multi-Regime-Verbrennung (MR) von Wasserstoff betrachtet, in der vorgemischte und nicht vorgemischte Zustände koexistieren. Es wird eine ATF-Strategie vorgeschlagen, bei der das ATF-Modell in nicht vorgemischten Bereichen identifiziert anhand eines Takeno-Flammenindex gezielt deaktiviert wird. Angewendet auf einen MR-Brenner reproduziert die Kombination aus QDk-l_sfs Modell, MR-ATF und AMR die globale Flammentopologie, die Regimeverteilungen und die thermochemischen Kenngrößen mit hoher Genauigkeit. Damit wird das vorgeschlagene LES-Modell über ein breites Spektrum an Testfällen validiert und ein Beitrag zum verbesserten Verständnis der Wasserstoff-Gemischbildung geleistet.