Titelaufnahme

Titel
Numerische Charakterisierung turbulenter Flammen / von Eva-Maria Wartha
Weitere Titel
Numerical characterization of turbulent flames
VerfasserWartha, Eva-Maria
Begutachter / BegutachterinHarasek, Michael
GutachterBösenhofer, Markus
ErschienenWien, 2017
Umfang146 Seiten
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Turbulente Flammen / Eddy Dissipation Concept (EDC) / In-situ adaptive Tabulation / Operator Splitting / Chemische Zeitskalen
Schlagwörter (EN)turbulent flames / Eddy Dissipation Concept (EDC) / In-situ adaptive tabulation / operator splitting / chemical time scales
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-104047 Persistent Identifier (URN)
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Numerische Charakterisierung turbulenter Flammen [4.52 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Menschen nutzen Verbrennung seit Jahrtausenden und trotzdem gibt es noch immer unergründete Mechanismen und Vorgänge. Aufgrund steigenden wirtschaftlichen Drucks und auch durch den Zwang Emissionen zu minimieren, ist es wichtig Verbrennungsmechanismen zu verstehen um Verbrennungsprozesse zu optimieren. Mit Hilfe von Simulationen können Mechanismen aufgeklärt und verschiedene Szenarien mit geringem Aufwand untersucht werden. Das eddy dissipation concept (EDC) ist ein wichtiges Model, dass die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Reaktion darstellen kann. Neueste Bestrebungen gehen dahin, die Anwendbarkeit des EDC auch für nicht turbulente Verbrennungsregime zu gewährleisten. Außerdem wird versucht, die Prädiktion von langsamen Reaktionen, wie der NOx Bildung, zu verbessern. Das Ziel dieser Arbeit war das EDC sowohl numerisch zu verbessern als auch dessen Anwendungsbereich durch in der Literatur vorgeschlagene Modifikationen zu vergrößern. Um die Anwendung des EDC numerisch zu verbessern, wurde die Möglichkeit des Operator Splitting untersucht. Dieses teilt gewöhnliche Dierentialgleichungen in zwei Teile, um diese separat zu lösen und so einen numerisch einfacheren Lösungsvorgang zu ermöglichen. Dies kann auf das Dierentialgleichungssystem angewandt werden, welches die reaktiven Strukturen beschreibt. Dabei wird die Dierentialgleichung in einen Mischungs- und einen Reaktionsterm aufgeteilt und ermöglicht sogleich die Anwendung von in-situ adaptiver Tabulation für den Reaktionsterm. Diese Methoden wurden anhand von Simulationen einer turbulenten Flamme, der Sandia Flame D, in OpenFOAM getestet. Die Simulationen zeigen gute Ergebnisse, aber direkte Integration gibt etwas genauere Vorhersagen. Abgesehen von diesen numerischen Verbesserungen, wurden modifizierte EDC Konstanten in Abhängigkeit der turbulenten Damköhler- und der turbulenten Reynoldszahl in der Literatur vorgeschlagen. Die turbulente Damköhlerzahl ist durch das Verhältnis von chemischer Zeitskala und Mischungszeitskala definiert. Die größte Schwierigkeit stellt hierbei die Berechnung der chemischen Zeitskala dar. Eine genaue und möglichst einfache Berechnungsmöglichkeit für die chemische Zeitskala musste gefunden werden, um die Anwendbarkeit der modifizierten EDC Konstanten zu gewährleisten. Verschiedene Definitionen wurden getestet und es hat sich gezeigt, dass für die Anwendung drei Methoden (Rens, Rens product und system progress time scale (SPTS)) akkurate Ergebnisse bei vertretbarem Aufwand liefern.

Zusammenfassung (Englisch)

Combustion is important for humans since early days, but there are still phenomena we do not understand. Under the rising pressure of global warming a profound understanding of combustion processes is necessary to reduce emissions and improve efficiency. Computational uid dynamics (CFD) can be a great tool to investigate those phenomena and test certain scenarios with reduced eort. Therefore, it is important to have well calibrated simulation models. The eddy dissipation concept (EDC) is a valuable concept for simulating combustion, since it can predict combustion where mixing as well as reaction is determining. The EDC models the interaction between turbulence and chemical reactions. Any turbulence model can be applied with it. Although it has been developed over the years, there is still research on it. Recently some modifications for the application to moderate or intense low-oxygen dilution (mild) combustion have been suggested. The goal of this thesis was to improve the EDC with regard to numerical performance and to widen the application field with suggested modifications. For computational improvement, operator splitting was tested for splitting the descriptive ordinary dierential equation (ODE)-system of the reacting parts into a chemical term and a mixing term. Through the application of operator splitting, the usage of in-situ adaptive tabulation (ISAT) is enabled. Dierent operator splitting methods were tested on sample problems and the best one, Strang splitting, was used for the simulation of Flame D, a piloted methane-air jet ame developed by Sydney University, to validate the solver in OpenFOAM. The results reveal that operator splitting with and without ISAT is working and gives improved predictions compared to using a global mechanism. However, there are drawbacks compared to direct integration with the detailed mechanism. Besides improvements regarding numerical issues, also changes of EDC model constants have been suggested in literature. The newly derived relations for the EDC constants depend on the Damköhler number. The Damköhler number describes the relation between a mixing time scale and a chemical time scale. Therefore, a proper definition of a characteristic chemical time scale is necessary. Dierent time scale definitions were discussed and tested on sample problems. The most promising were also applied to compute the Damköhler number for Flame D. Three of the presented definitions (Rens, Rens product and system progress time scale (SPTS)), give promising results and one of those should be used for the calculation of the suggested modified constants in the EDC.