Application of ODT to turbulent combustion problems in incompressible and compressible regimes

Anwendung von ODT auf turbulente Verbrennungsprobleme in inkompressiblen und kompressiblen Regimen

  • The one-dimensional turbulence (ODT) model is applied to a reactant - to - product counterflow configuration as well as to a shock tube configuration in non-reactive flow and in deflagration and detonation regimes. The model employed herein solves conservation equations for momentum, energy, and species on a one dimensional (1D) domain corresponding to the line spanning the domain between nozzle orifice centers in the counterflow configuration and corresponding to the tube length in the shock tube configuration. The effects of turbulent mixing are modeled via a stochastic process, while the Kolmogorov and reactive length and time scales are explicitly resolved. In the counterflow configuration, comparisons between model and DNS results for spatial mean and root-mean-square (RMS) velocity, temperature, and major and minor species profiles are shown. The ODT approach shows qualitatively and quantitatively reasonable agreement with the DNS data. Scatter plots and statistics conditioned on temperature are also compared for heat releaseThe one-dimensional turbulence (ODT) model is applied to a reactant - to - product counterflow configuration as well as to a shock tube configuration in non-reactive flow and in deflagration and detonation regimes. The model employed herein solves conservation equations for momentum, energy, and species on a one dimensional (1D) domain corresponding to the line spanning the domain between nozzle orifice centers in the counterflow configuration and corresponding to the tube length in the shock tube configuration. The effects of turbulent mixing are modeled via a stochastic process, while the Kolmogorov and reactive length and time scales are explicitly resolved. In the counterflow configuration, comparisons between model and DNS results for spatial mean and root-mean-square (RMS) velocity, temperature, and major and minor species profiles are shown. The ODT approach shows qualitatively and quantitatively reasonable agreement with the DNS data. Scatter plots and statistics conditioned on temperature are also compared for heat release rate and all species. ODT is able to capture the range of results depicted by DNS. However, conditional statistics show signs of underignition. To carry out the shock tube simulations, the ODT methodology is extended to include an efficient compressible implementation and a model for capturing shock-induced turbulence is presented. The necessary algorithmic changes to include compressibility effects are highlighted and the model for capturing shock-turbulence interaction is presented. To validate the compressible solver, results for Sod’s shock tube problem are compared against a finite volume Riemann solver. To validate the model for shock-turbulence interaction, comparisons for a non-reactive and a reactive case are presented. First, results of a shock traveling from light (air) to heavy (SF6) with reshock have been simulated to match mixing width growth data of experiments and turbulent kinetic energy results from LES. Then, for one-step chemistry calibrated to represent an acetylene/air mixture, the interaction of a shock wave with an expanding flame front is simulated, and results with 2D simulation (2D-sim) data for flame brush formation and ensuing deflagration-to-detonation transitions (DDT) are compared. Results for the Sod shock tube comparison show that the shock speed and profile are captured accurately. Results for the nonreactive shock-reshock problem show that interface growth at all simulated Mach numbers is captured accurately and that the turbulent kinetic energy agrees in order of magnitude with LES data. The reactive shock tube results show that the flame brush thickness compares well to 2D-sim data and that the approximate location and timing of the DDT can be captured. The known sensitivity of DDT characteristics to details of individual Wow realizations, seen also in ODT, implies that model agreement can be quantified only by comparing Wow ensembles, which are presently unavailable other than in an ODT run-to-run sensitivity study that is reported herein.show moreshow less
  • Das one-dimensional turbulence (ODT) Modell wird für die Simulation (1) eines Gegenstrom-Systems, in dem eine von links kommende Strömung mit unverbrannten Reaktanten auf eine von rechts kommende Strömung mit verbrannten Reaktionsprodukten trifft, und (2) einer nicht reaktiven und reaktiven Stoßrohr-Konfiguration angewendet. Hierbei werden Gleichungen für Impuls, Energie und Spezies auf einer 1D Linie durch das Strömungsgebiet gelöst, die der Mittellinie zwischen den beiden Düsen in der Gegenstrom- Konfiguration bzw. der Mittelinie des Rohres in der Stoßrohr-Konfiguration entspricht. Die turbulente Mischung der großen Skalen ist durch einen stochastischen Ansatz modelliert, während die kleinsten physikalischen Skalen, Kolmogorov-Skalen, sowie die reaktiven Längen- und Zeitskalen explizit aufgelöst sind. Die ODT-Ergebnisse für die Gegenstrom-Konfiguration wurden mit DNS Ergebnissen verglichen. Räumliche Mittel und quadratische Mittel der Geschwindigkeit, Temperatur sowie Major- und Minorspezies zeigen eine vernünftige qualitative undDas one-dimensional turbulence (ODT) Modell wird für die Simulation (1) eines Gegenstrom-Systems, in dem eine von links kommende Strömung mit unverbrannten Reaktanten auf eine von rechts kommende Strömung mit verbrannten Reaktionsprodukten trifft, und (2) einer nicht reaktiven und reaktiven Stoßrohr-Konfiguration angewendet. Hierbei werden Gleichungen für Impuls, Energie und Spezies auf einer 1D Linie durch das Strömungsgebiet gelöst, die der Mittellinie zwischen den beiden Düsen in der Gegenstrom- Konfiguration bzw. der Mittelinie des Rohres in der Stoßrohr-Konfiguration entspricht. Die turbulente Mischung der großen Skalen ist durch einen stochastischen Ansatz modelliert, während die kleinsten physikalischen Skalen, Kolmogorov-Skalen, sowie die reaktiven Längen- und Zeitskalen explizit aufgelöst sind. Die ODT-Ergebnisse für die Gegenstrom-Konfiguration wurden mit DNS Ergebnissen verglichen. Räumliche Mittel und quadratische Mittel der Geschwindigkeit, Temperatur sowie Major- und Minorspezies zeigen eine vernünftige qualitative und quantitative Übereinstimmung mit den DNS-Daten. Außerdem wurden Streudiagramme und Statistiken der Wärmefreisetzung in Abhängigkeit von der Temperatur und alle Spezies verglichen. Mit dem ODT-Ansatz konnte die Mehrzahl von DNS-Ergebnissen nachgebildet werden, dennoch zeigen einige Statistiken eine gewisse Unterschätzung in der Zündungsrate. Um die Stoßrohr-Simulationen ausführen zu können, wurde die inkompressible ODT-Implementierung um einem effizienten algorithmus für kompressibel Strömung erweitert und ein Modell zur Repräsentation schockgenerierter Turbulenz wurde entwickelt. Die benötigten Änderungen der Implementierung werden hervorgehoben und das entwickelte Modell wird beschrieben. Zur Validierung des kompressiblen Lösers werden Ergebnisse für das von Sod beschriebene Riemann-Problem mit Ergebnissen eines Riemann-Lösers verglichen. Für die Validierung des Modells zur Darstellung Schock-generierter Turbulenz werden Ergebnisse für nicht reaktive sowie reaktive Fälle gezeigt. Zuerst wird ein nicht reaktives Stoßrohr mit Reschock betrachtet, in dem ein Schock aus einer Mischung geringer Dichte (Luft) in eine Mischung hoher Dichte (Schwefelhexafluorid) läuft. Die ODT-Parameter sind entsprechend der Mischzonenausbreitung aus Versuchsdaten und entsprechend turbulenter kinetischer Energie aus LES-Daten abgestimmt. Als zweites Beispiel wird ein reaktives Stoßrohr inklusive reflektive Schock simuliert. Eine Flamme wird in der Mitte des Rohrs initialisiert und beginnt sich auszubreiten während ein Schock auf sie zukommt. Ergebnisse für die Bildung der Mischzone und schließlichem Deflagrations-Detonations-Transition (DDT) wurden mit hoch aufgelösten 2D Simulationen (2D-Sim) verglichen. Vergleiche für Sods Stoßrohr zeigen, dass die Verdichtungsstoßgeschwindigkeit und das Schockprofil gut wiedergegeben werden. Vergleiche für das nicht reaktive Stoßrohr zeigen, dass die Ausbreitung der Mischzonen für die betrachteten Mach-Zahlen korrekt erfasst werden und, dass die turbulente kinetische Energie der Größenordnung nach mit LES-Daten übereinstimmt. Vergleiche für die reaktiven Stoßrohrergebnisse zeigen, dass die Ausbreitung der Mischzonen über die Zeit korrekt erfasst wird und, dass die ungefähre Zeit und Position für DDT in ODT mit denen der 2D-sim übereinstimmt. Da DDT stark von den Feinheiten den einzelnen Simulationen abhängt, kann ODT nur durch einzelne Simulationen validiert werden, nicht durch ein Ensemble von Simulationen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Zoltan Jozefik
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38653
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Heiko Schmidt
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/05/10
Release Date:2016/05/31
Tag:Gegenstrom; Stoßrohr; Turbulenz; Verbrennungsmodellierung
Combustion modeling; Counterflow; One dimensional turbulence (ODT); Shock tube; Turbulence
GND Keyword:Gegenströmung; Simulation; Stoßwellenrohr; Turbulente Strömung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Numerische Strömungs- und Gasdynamik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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