Numerical Simulation of Turbulent Flames based on Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) Reduced Chemistry

Die Simulation reagierender Strömungen beinhaltet komplexe Wechselwirkungen zwischen Thermodynamik, chemischen Reaktionen, molekularem Transport und Fluiddynamik. Für die meisten technischen Anwendungsbereiche liegen turbulente reagierende Strömungen vor, und ein Verständnis aller zugrundeliegenden Prozesse spielt eine wichtige Rolle für die Beschreibung der zugrundeliegenden Phänomene. Direkte Numerische Simulationen (DNS, engl. „direct numerical simulations“) lösen die Erhaltungsgleichungen für reagierende Strömungen in Raum und Zeit ohne Modellierung der Turbulenz vollständig auf, was höchste Anforderungen an die zur Verfügung stehende Rechenleistung stellt. Zusätzlich erfordert die Modellierung von Verbrennungs¬prozessen chemische Reaktionsmechanismen mit mehr als tausend Elementarreaktionen und chemischen Spezies. Turbulenz erhöht die Komplexität und die Dimension des Systems, so dass sich anwendungsnahe reagierende Strömungen (z. B. turbulente Verbrennungsprozesse) auch heute nicht unter Verwendung detaillierter Kinetik und direkten numerischen Simulationen simulieren lassen. Vor diesem Hintergrund erfolgt in der Dissertation die Modellierung turbulenter reagierender Strömungen durch eine statistische Beschreibung der Turbulenz mit Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (engl. Probability Density Function, PDF) und eine Vereinfachung der chemischen Reaktionen auf Basis von Reaktions-Diffusions-Mannigfaltigkeiten (engl. Reacition-Diffusion Manifolds, REDIM). In der PDF-Methode müssen die Diffusionsprozesse durch ein Mischungsmodell modelliert werden. Obwohl Mischungsmodelle und Methoden für die Modellreduktion für die Chemie bereits untersucht und unabhängig voneinander entwickelt wurden, wurde deren Kopplung bisher nicht umfassend untersucht. Die Koppelung zwischen Mischungsmodellen und reduzierter Chemie spielt jedoch eine zentrale Rolle für die Genauigkeit der Modellierung. Eine nicht optimale Kopplung zwischen beiden Prozessen kann zu erheblichen qualitativen und quantitativen Fehlern führen. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Kopplung zwischen Mischungsmodellen und reduzierter Chemie für turbulente reagierende Strömungen. In der Arbeit wird ein Modell basierend auf einer Projektion der Mischungsmodelle auf die reduzierte Kinetik für die Kopplung vorgeschlagen. Unterschiedliche Projektionsstrategien auf Basis von physikalischen Betrachtungen werden motiviert, mathematisch formuliert und untersucht. Die vorgeschlagenen Kopplungsstrategien werden anhand der Modellierung von nicht-vorgemischten pilot-stabilisierten turbulenten Flammen („Sandia Flame D, E und F“) validiert. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur belegt die Qualität der entwickelten Modelle. Die vorgestellten und validierten Konzepte lassen sich zur Modellierung technisch relevanter Verbrennungsprozesse (Verbrennung in Motoren, Gasturbinen) - aber auch für andere technisch relevante turbulente reagierende Strömungen (chemische Energiespeicherung) verwenden

GQL-RedChem: A MatLAB-based tool for the model reduction for chemical kinetics based on the Global Quasi-linearisation (GQL) approach

The Global Quasi-linearization (GQL) approach has been developed for the dimension reduction of the chemical kinetics, which aim at speeding up the numerical simulation of reacting flows. GQL-RedChem is a MatLAB-based package that integrates the homogeneous reacting systems, formulated mathematically as a system of Ordinary Differential Equations (ODEs). The package provides with an approximation of the fast/slow decomposition linear basis, describing a reacting source term by a system of Differential Algebraic Equations (DAEs). The GQL method can be applied for reacting systems with any complexity, and the GQL decomposition basis can be generated in a generic and automatic manner

Parametric analysis of Velocity Conditioned Modified Curl’s Model (VC-MCM) in the PDF method for Turbulent Non-Premixed Flames

In the probability density function (PDF) method for turbulent combustion, model for molecular diffusion process is required and has large influence on the accuracy of numerical simulations. While most of the existing mixing models can ensure that scalar mean does not change and the scalar dissipation rate is correct, they neglect the possible effect of velocity on the mixing process. However, the Direct Numerical Simulation (DNS) shows that such neglection is only valid if the flow is completely local anisotropic. Therefore, local isotropy requires a velocity-conditioned mixing model. Therefore, in this work, a velocity-conditioned modified Curl’s model is introduced and applied for well-known turbulent non-premixed flames, Sandia Flame series D-F. The influence of model parameters such as mixing parameter and the turbulence parameters are investigated based on general Modified Curl’s Model and Velocity-Conditioned Modified Curl’s Model are compared, together with the experimental data. Moreover, effects of Reynolds number on the model calculations are also investigated. The computational requirements along with the useful results are also discussed in this research work for the both the models

Influence of the chemical kinetics on the prediction of turbulent non-premixed jet CH4_4 flames

The present work focuses on the five different chemical mechanisms coupled with probability density function (PDF) model to represent the local extinction and re-ignition flame characteristics of the well-known Sandia Flames D–F. These five mechanisms span from the Foundational Fuel Chemistry Model (FFCM) mechanism involving 38 species to the Glarborg mechanism involving 150 species. The coupled computational fluid dynamics (CFD) and transported-PDF method are used for the turbulence modeling, and the reaction–diffusion manifolds (REDIMs) are used as an advanced technique for the simplification of chemical kinetics and to speed up the numerical computation. It is demonstrated that these chemical mechanisms have an ability to represent the degree of local extinction and re-ignition accurately. Furthermore, the sensitivity analysis shows that the degree of local extinction is very sensitive to only several key elementary reactions, and an analysis on the turbulence–chemistry interaction investigates the influence of these elementary reactions

Numerical Investigation on the Head-on Quenching (HoQ) of Laminar Premixed Lean to Stoichiometric Ammonia–Hydrogen-Air Flames

The Head-on Quenching (HoQ) of laminar premixed ammonia–hydrogen-air flames under lean to stoichiometric condition is numerical investigated. Detailed chemistry including 34 reactive species and detailed multi-component transport model including thermal diffusion (Soret effect) are applied. The quenching distance is considered as a representative quantity for the HoQ process, and the influence of different system parameters on it has been investigated. These parameters involve fuel/air equivalence ratios, hydrogen content in gas mixture and pressure. It was found that an increase of quenching distance can be caused by a lower hydrogen addition and a leaner mixture condition. Furthermore, it was found that, regardless of the gas mixture, the quenching distance decreases monotonically with increasing pressure, obeying a power function with the exponent − 0.7. Moreover, numerical results show a relation between the quenching Peclet number and the dimensionless wall heat flux normalized by the flame power. Additionally, sensitivities of quenching distances with respect to the transport model, considering the heat loss in the wall and the chemical kinetics are studied