Conjugate heat transfer coupling relying on large eddy simulation with complex geometries in massively parallel environments

Progress in scientific computing has led to major advances in simulation and understanding of the different physical phenomena that exist in industrial gas turbines. However' most of these advances have focused on solving one problem at a time. Indeed' the combustion problem is solved independently from the thermal or radiation problems' etc... In reality all these problems interact: one speaks of coupled problems. Thus performing coupled computations can improve the quality of simulations and provide gas turbines engineers with new design tools. Recently' solutions have been developed to handle multiple physics simultaneously using generic solvers. However' due to their genericity these solutions reveal to be ineffective on expensive problems such as Large Eddy Simulation (LES). Another solution is to perform code coupling: specialized codes are connected together' one for each problem and they exchange data periodically. In this thesis a conjugate heat transfer problem is considered. A fluid domain solved by a combustion LES solver is coupled with a solid domain in which the conduction problem is solved. Implementing this coupled problem raises multiple issues which are addressed in this thesis. Firstly' the specific problem of coupling an LES solver to a conduction solver is considered: the impact of the inter-solver exchange frequency on convergence' possible temporal aliasing' and stability of the coupled system is studied. Then interpolation and geometrical issues are addressed: a conservative interpolation method is developed and compared to other methods. These methods are then applied to an industrial configuration' highlighting the problems and solutions specific to complex geometry. Finally' high performance computing (HPC) is considered: an efficient method to perform data exchange and interpolation between parallel codes is developed. This work has been applied to an aeronautical combustion chamber configuration

TURBULENT TRANSITION SIMULATION AND PARTICULATE CAPTURE MODELING WITH AN INCOMPRESSIBLE LATTICE BOLTZMANN METHOD

Derivation of an unambiguous incompressible form of the lattice Boltzmann equation is pursued in this dissertation. Further, parallelized implementation in developing application areas is researched. In order to achieve a unique incompressible form which clarifies the algorithm implementation, appropriate ansatzes are utilized. Through the Chapman-Enskog expansion, the exact incompressible Navier-Stokes equations are recovered. In initial studies, fundamental 2D and 3D canonical simulations are used to evaluate the validity and application, and test the required boundary condition modifications. Several unique advantages over the standard equation and alternative forms found in literature are found, including faster convergence, greater stability, and higher fidelity for relevant flows. Direct numerical simulation and large eddy simulation of transitional and chaotic flows are one application area explored with the derived incompressible form. A multiple relaxation time derivation is performed and implemented in a 2D cavity (direct simulation) and a 3D cavity (large eddy simulation). The Kolmogorov length scale, a function of Reynolds number, determines grid resolution in the 2D case. Comparison is made to the extensive literature on laminar flows and the Hopf bifurcation, and final transition to chaos is predicted. Steady and statistical properties in all cases are in good agreement with literature. In the 3D case the relatively new Vreman subgrid model provides eddy viscosity modeling. By comparing the center plane to the direct numerical simulation case, both steady and unsteady flows are found to be in good agreement, with a coarse grid, including prediction of the Hopf bifurcation. Multiphysics pore scale flow is the other main application researched here. In order to provide the substrate geometry, a straightforward algorithm is developed to generate random blockages producing realistic porosities and passages. Combined with advection-diffusion equations for conjugate heat transfer and soot particle transport, critical diesel particulate filtration phenomena are simulated. To introduce additional fidelity, a model is added which accounts for deposition caused by a variety of molecular and atomic forces. Detailed conclusions are presented to lay the groundwork for future extensions and improvements. Predominantly, higher lattice velocity large eddy simulation, improved parallelization, and filter regeneration

Thermal Lattice Boltzmann Methods for the Simulation of Turbulent Flows with Conjugate Heat Transfer – Application to Refrigerated Vehicles

In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. Die Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt. Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt. Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst. Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist. Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt. Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen

Unsteady coupled convection, conduction and radiation simulations on parallel architectures for combustion applications

Dans l'industrie aéronautique, la génération d'énergie dépend presque exclusivement de la combustion d'hydrocarbures. La meilleure façon d'améliorer le rendement de ces systèmes et de contrôler leur impact environnemental, est d'optimiser le processus de combustion. Avec la croissance continue du de la puissance des calculateurs, la simulation des systèmes complexes est devenue abordable. Jusqu'à très récemment dans les applications industrielles le rayonnement des gaz et la conduction de chaleur dans les solides ont été négligés. Dans ce travail les outils nécessaires à la résolution couplée des trois modes de transfert de chaleur ont été développés et ont été utilisés pour l'étude d'une chambre de combustion d'hélicoptère. On montre que l'inclusion de tous les modes de transfert de chaleur peut influencer la distribution de température dans le domaine. Les outils numériques et la méthodologie de couplage développés ouvrent maintenant la voie à un bon nombre d'applications tant scientifiques que technologiques. ABSTRACT : In the aeronautical industry, energy generation relies almost exclusively in the combustion of hydrocarbons. The best way to improve the efficiency of such systems, while controlling their environmental impact, is to optimize the combustion process. With the continuous rise of computational power, simulations of complex combustion systems have become feasible, but until recently in industrial applications radiation and heat conduction were neglected. In the present work the numerical tools necessary for the coupled resolution of the three heat transfer modes have been developed and applied to the study of an helicopter combustion chamber. It is shown that the inclusion of all heat transfer modes can influence the temperature repartition in the domain. The numerical tools and the coupling methodology developed are now opening the way to a good number of scientific and engineering applications

STAB-Jahresbericht 2023 - Proceedings of the 21st STAB-Workshop 2023 in Göttingen

Die STAB-Jahresberichte werden als Sammlung der Kurzfassungen der Vorträge an die Teilnehmer der abwechselnd stattfindenden Symposien und Workshops verteilt. So erscheint der vorliegende STAB-Jahresbericht 2023 anlässlich des 21. STAB-Workshops, der am 7. und 8. November 2023 in Göttingen stattfinden wird. Der Bericht enthält 77 Mitteilungen über Arbeiten aus den Fachgruppen, die auf dem Workshop vorgestellt werden. Den Mitteilungen ist ein Inhaltsverzeichnis (Seite 14 bis Seite 19) vorangestellt, das nach Fachgruppen gegliedert ist. Innerhalb der Fachgruppen sind die Beiträge alphabetisch nach Autoren geordnet. Die Beiträge verteilen sich (bezogen auf die Erstautoren) zu 4 % auf die Industrie, zu 39 % auf Hochschulen und zu 57 % auf Forschungseinrichtungen (DLR, DNW, ISL). Die Autoren und Koautoren dieses Berichts sind auf den Seiten 174 und 175 aufgeführt