Numerical simulations of turbulent mixing in complex flows

For an accurate gas turbine combustion simulation the quality of the mean and fluctuating velocity, temperature, and species concentration field predictions is of critical importance. A typical flow pattern of a gas turbine combustion chamber comprises several complex jet configurations intricately interacting. Numerical representation of turbulence and mixing in such flows is a challenging task. Different aspects of modeling the turbulence and turbulent scalar mixing in complex jets are considered in this dissertation. Three complex jet test cases are selected for a systematic investigation in the present work: jet in crossflow, confined coaxial swirling jets, and confined coaxial jets without swirl. A comprehensive literature overview on the previous numerical investigations of these flows is given in chapter 1. Three main goals of the present work are formulated. The first one is the critical assessment of the widespread turbulent viscosity and turbulent scalar diffusivity Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approaches in application to the flow and mixing modeling in the selected test cases. The second aim is a thorough evaluation of the statistical data obtained in Large Eddy Simulations (LES) of three main test cases. This goal is set in order to provide a more comprehensive database for validating RANS models and to obtain variables of interest which cannot be determined easily in experiments due to measurement instrumentation limitations. The third aim of the present work is to understand the potential of the Scale-Adaptive Simulation(SAS) method and of the Unsteady RANS (URANS) approach for the mixing modeling in the considered flows. The most important question here is the clarification of the ability of different methods to correctly predict the flame propagation processes in the practically relevant case of autoignition in a jet in crossflow. Chapter 2 develops the theoretical framework of this dissertation. RANS and LES concepts are introduced and common modeling closure approaches for both methods are discussed. Chapter 3 is devoted to the study of the accuracy of RANS in three main test cases and to LES data evaluation. The results of RANS mean and fluctuating velocity and scalar field simulations are validated against experimental data and the outcome of accompanying LES calculations. The LES results, for the most part, agree better with the respective experimental data. Many of the tested RANS models show a clear trend of the underestimation of turbulence and mixing in the considered complex jet configurations. The influence of different equation terms and corrections on the RANS model accuracy is investigated. For a more thorough study, the resolved data fields from LES are used for the evaluation of the Reynolds-averaged turbulent viscosities, turbulent scalar diffusivities, and the main budget terms of the turbulent kinetic energy and the turbulent scalar variance transport equations. This data is also used to extract practically important information on the turbulent Schmidt numbers in the considered flows. The turbulent Schmidt numbers given by LES data evaluation fluctuate around 0.5 for the jet in crossflow case and 0.6 - 0.9 for both confined coaxial jet cases. Other important quantities needed for the validation of the common RANS modeling assumptions, such as production to dissipation ratios, modeling coefficients of the turbulent viscosity equation, turbulent scalar to velocity time scale ratios, are evaluated from LES data as well. This builds a comprehensive database useful for the further refinement of RANS modeling in gas turbine applications. A detailed discussion on the evaluation methods and on the obtained results is provided. In chapter 4 URANS and SAS calculations of the considered complex jet flows are presented.The accuracy of SAS is assessed on all three main test cases by comparing against the RANS and the LES data. For a comparative study of SAS and URANS, the jet in crossflow configuration is selected. The quantitative validation of the results against experimental data is supplemented by the visualization of the vortex structures resolved by both methods. Furthermore, the autoignition and the flame propagation in a jet in crossflow configuration is modeled using both URANS and SAS and qualitative differences in the flame front propagation predictions are assessed. Fur eine genaue numerische Simulation der Gasturbinenverbrennung ist die Qualitat der Abbildung von Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Konzentrationsfeldern entscheidend. Typische Stromungsfelder der Gastubinenbrennkammer sind auserst komplex und bestehen aus Elementen die miteinander interagieren. Die numerische Abbildung der Turbulenz und der Mischungsprozesse in solchen Stromungen ist daher herausfordernd. In der vorliegenden Dissertation werden unterschiedliche Aspekte der Modellierung der Stromung und der turbulenten skalaren Mischung in komplexen Strahlkonfigurationen betrachtet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden fur detailiete Studien drei Grundtestfalle ausgewahlt: Strahl in einer Querstrohmung, eingeschlossene verdrallte koaxiale Strahlstromung, und eingeschlossene koaxiale Strahlstromung ohne Drall. Im Kapitel 1 werden die bekannten numerischen Untersuchungen solcher Stromungen in einer Literaturstudie zusammengestellt und diskutiert. Es werden drei Hauptziele dieser Arbeit genannt. Das erste Ziel ist ein kritischer Vergleich der hocheffizienten Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) Modelle fur Turbulenz und Mischung fur die ausgewahlen Testfalle. Das zweite Ziel ist eine detailierte Auswertung der Daten, die in einer Large Eddy Simulation (LES) fur die betrachteten Testfalle generiert werden. Dabei konnen in einer LES Auswertung auch Variablen beschafft werden, die im Experiment nicht zuganglich sind. Damit soll eine umfassende Datenbasis fur die Validierung der RANS Modelle zur Verfugung stehen. Das dritte Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Potentials der Scale-Adaptive Simulation (SAS) und der instationaren RANS (URANS) fur die Mischungsmodellierung in den betrachteten Konfigurationen. Hier soll auch geklart werden, wie gut die unterschiedlichen Simulationsmethoden die Flammenausbreitung nach der Selbstzundung in einem Vormischkanal mit Querstrahleinblasung wiedergeben konnen. Im Kapitel 2 wird der theoretische Hintergrund dieser Arbeit beleuchtet. Die Konzepte der RANS und LES werden vorgestellt, wobei insbesondere auf weitverbreitete Modelle eingegangen wird. Im Kapitel 3 werden RANS Studien und die Auswertung von LES Daten fur drei Haupttestfalle prasentiert. Die RANS Ergebnisse fur die Mittel- und Fluktuationswerte der Geschwindigkeitsfelder und der skalaren Konzentrationsfelder werden experimentellen Daten und LES Egebnissen gegenuber gestellt. Die LES ergibt meistens die beste Ubereinstimmung mit den experimentellen Daten. Viele der untersuchten RANS Modelle zeigen eine klare Tendenz zur Unterschatzung der Turbulenz- und Mischungsintensitat in den komplexen Strahlstromungen. Der Einfluss unterschiedlicher Gleichungsterme und Korrekturen auf die Genauigkeit der RANS Modelle wird untersucht. Fur eine umfassendere Studie werden LES Daten fur die Auswertung der turbulenten Viskositaten, turbulenten skalaren Diffusivitaten, Budgetterme der Transportgleichungen fur die turbulente kinetische Energie und die turbulente skalare Varianz eingesetzt. Mit Hilfe dieser Daten wird auch die praktisch relevante Information uber die Werte der turbulenten Schmidtzahl in den betrachtenen Testfallen gewonnen. Die mittleren turbulenten Schmidtzahlen aus der LES Auswertung liegen um 0.5 fur den quereingedusten Strahl und bei 0.6 - 0.9 fur die beiden eingeschlossenen koaxialen Strahlstromungen. Es wurden weitere Grosen (das Verhaltnis der Produktions- und Dissipationsraten, der Modellierungskoeffizient der Gleichung fur die turbulente Viskositat, das Verhaltnis zwischen der Skalaren und der dynamischen Zeitskala) ausgewertet, die wichtig fur die Validierung der verbreiteten RANS Modellierungsannahmen sind. So wird eine umfassende Datenbasis geschaffen, die fur die weitere Verfeinerung der RANS Modelle im Hinblick auf die Gasturbinenapplikationen genutzt werden kann. Weiterhin wird eine detailierte Diskussion uber die Auswertungsmethoden und die gewonnene Ergebnisse angefuhrt. Im Kapitel 4 sind URANS und SAS Rechnungen der betrachteten Testfalle prasentiert. Die Genauigkeit der SAS Ergebnisse wird mit RANS und LES Ergebnissen fur die drei Haupttestfalle verglichen. Eine weitgehende Vergleichstudie zwischen SAS und URANS wird fur die Querstrahlkonfuguration durchgefuhrt. Die Validierung der Rechenmethoden mit experimentellen Daten wird mit einer Visualisierung der aufgelosten Wirbelstrukturen begleitet. Desweiteren wird der Vorgang von Selbstzundung und Flammenausbreitung fur die Konfiguration eines quereingedusten Strahls mit Hilfe von URANS und SAS modelliert. Qualitative Differenzen in der Flammenfrontausbreitung werden besprochen und die Uberlegenheit der SAS Methode fur solche Simulationen aufgezeigt.