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BTU
The One-Dimensional Turbulence (ODT) model is applied to a constant volume configuration by means of a periodic, one-dimensional domain subject to randomized ensemble members with initial inhomogeneous temperature fields and homogeneous mass fraction profiles. The multidimensional turbulent interactions in the flow are modeled by the separate implementation of turbulent advection and the diffusion-reaction processes, neglecting the mean advection of the system. On one hand, turbulent advection is modeled by means of the eddy events defined within the framework of ODT; on the other hand, the diffusion-reaction system is solved by means of the Zero-Mach limit conservation equations discretized with a 1D Finite Volume Method (FVM). The treatment is specialized in this work to constant volume systems. Due to the inherent stiffness of the diffusion-reaction system, an operator splitting approach is also included in the formulation. Results for n-Heptane chemistry comprising the temporal evolution of the heat release rate, pressure and normalized density-weighted displacement speed are shown and compared to DNS results from Yoo et al. [Combust. Flame 158 (2011) 1727-1741], in terms of individual ensemble members and mean ensemble behavior. The results show that it is possible to obtain reasonably good results in comparison to the DNS if an appropriate set of initial conditions is used. Furthermore, it is shown that the model uncertainty is negligible in comparison to the ensemble standard deviation introduced by randomized initial conditions. Overall, this work introduces the framework for constant volume autoignition in ODT and shows its efficiency for complex chemistry simulations.
Extension of the One-Dimensional Turbulence model towards electrohydrodynamic variable density flows
(2019)
A novel spatial formulation of the One-Dimensional Turbulence (ODT) model is applied to a vertical pipe-flow with heat transfer, analogous to the Direct Numerical Simulation (DNS) performed by Bae et al. [Phys. Fluids 18, (075102) (2006)]. The framework presented here is an extension for radially confined domains of the cylindrical ODT spatial formulation for low Mach number flows with variable density. The variable density simulations for air (Prandtl number Pr = 0.71) are performed at an initial bulk Reynolds number Reb (DNS) = 6000 and Grashof number Gr (DNS) = 6.78*10^6. ODT results are presented for both the spatial formulation introduced in this work and the standard temporal formulation for cylindrical flows introduced by Lignell et al. [Theor. Comput. Fluid Dyn. 32, 4 (2018), pp. 495–520]. Streamwise bulk profiles and radial profiles at specific streamwise positions for the temporal and spatial formulations are in good agreement with the DNS results from Bae et al. For the present application, the spatial formulation yields physically better results in comparison to the temporal formulation. Overall, the findings in the original work of Bae et al. were corroborated with ODT. Although the framework proposed in this work is not a compressible framework and has some clear limitations regarding conservation properties, we suggest its use for future studies in the low Mach number variable density regime.
Zur jüngsten Entwicklung in der Modellierung von turbulenten Verbrennungsprozessen mittels ODT
(2019)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den jüngsten Entwicklungen und Anwendungen des One-Dimensional Turbulence (ODT) Modells auf reaktive Strömungen. Bei ODT handelt es sich um ein stochastisches und abbildungsbasiertes Turbulenzmodell zur Simulation von turbulenten Strömungen. In ODT wird das eindimensionale Rechengebiet als gedachte Linie durch das dreidimensionale Strömungsfeld verstanden, welches in Richtung des mittleren Gradienten einer Geschwindigkeit oder anderer skalarer Felder orientiert ist. Die Besonderheit von ODT liegt in der Modellierung der turbulenten Advektion durch stochastisch auftretende Wirbelereignisse. Die molekulare Diffusion und Reaktionskinetik entlang des ODT-Rechengebietes wird mittels sich zeitlich entwickelnder, deterministischer Erhaltungsgleichungen berücksichtigt und vollständig aufgelöst. In dieser Arbeit werden vorläufige ODT-Simulationsergebnisse von reaktiven Strömungen für jeweilsein offenes und ein geschlossenes System vorgestellt. Essentielle Vorarbeiten, die die Vermischungeines passiven Skalars in einer planaren Strahldüse untersuchen, werden ebenfalls gezeigt. Beim offenen System handelt es sich um eine Methan/Luft Freistrahl-Flamme in einer umgebenden Strömung aus heißen Verbrennungsgasen. Die Simulationsergebnisse werden zu Vergleichszweckenden Messungen von Cabra et al. gegenübergestellt. Beim geschlossenen System wird die Selbstzündung von mageren n-Heptan Gemischen bei niedrigen Temperaturen und komplexer Reaktionskinetik betrachtet. Hierbei werden die ODT-Ergebnisse mit den Resultaten aus einer Direkten Numerischen Simulation (DNS) verglichen. In den durchgeführten Studien konnte gezeigt werden, dass die mittels ODT erzeugten Statistiken eine beachtlich gute Übereinstimmung mit den Vergleichsdaten aufweisen. Im Hinblick auf die reduzierte Dimensionalität von ODT, die Qualitätder erzielten Ergebnisse und die erforderliche Rechenleistung, stellt ODT ein attraktives Modell zurSimulation von turbulenten und reaktiven Strömungen dar.