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. ... mehrZusätzlich 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.

The simulation of reactive flows involves a complex modeling of the interaction of thermodynamics, chemical kinetics, molecular transport and fluid dynamics. In most engineering applications, combustion occurs under turbulent flow conditions, and an understanding of the underlying processes is crucial for the physical description of the phenomenon. Direct numerical simulations (DNS) solve the Navier Stokes equations in a fully resolved way without modeling, leading to a high computational cost. Furthermore, modeling of combustion is a complex phenomenon, since the fuel oxidation mechanisms can have thousands of elementary reactions and hundreds or thousands of chemical species. ... mehrTurbulence can also enhance the complexity and dimension of the system. Therefore, using detailed kinetic mechanisms is in most cases computationally prohibitive.

Because of the high computational cost using DNS and detailed chemistry, the Probability Density Function (PDF) for the statistical description of turbulence and Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) for the simplification of chemical kinetics are applied in this dissertation. In the PDF method, diffusion processes are modeled by a turbulent mixing model, which is developed without considering the influence of reduced chemistry on it. Although turbulent mixing models in PDF method and methods for chemical reduction are intensively studied and developed seperately, their coupling is less intensive investigated. However, coupling of turbulent mixing models and reduced chemical kinetics plays an important role for model prediction, and an over-simplification of coupling between both processes can result in large quantitative and even qualitative errors.

The main contribution of this dissertation is to study the coupling of reduced chemistry with turbulent mixing models. A so-called projection process is used to couple both processes. Different projection strategies are introduced mathematically and investigated according to their physical meanings. The proposed coupling strategies are applied in simulations of the well-known methane/air piloted turbulent non-premixed jet flames, Sandia Flame D - F. While the results for Sandia Flame D and E agree with experiments very well, there are disperancies for Sandia Flame F due to under-estimation of local extinction. Therefore improvements are suggested and developed.