title: A study on new developments and chemical time scale definitions for the Eddy dissipation concept
Creators: name: Wartha, Eva-Maria
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: Turbulente Flammen
subject: Eddy Dissipation Concept (EDC)
subject: In-situ adaptive Tabulation
subject: Operator Splitting
subject: Chemische Zeitskalen
subject: turbulent flames
subject: Eddy Dissipation Concept (EDC)
subject: In-situ adaptive tabulation
subject: operator splitting
subject: chemical time scales

description: 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 Diﬀerentialgleichungen in zwei Teile, um diese separat zu lösen und so einen numerisch einfacheren Lösungsvorgang zu ermöglichen. Dies kann auf das Diﬀerentialgleichungssystem angewandt werden, welches die reaktiven Strukturen beschreibt. Dabei wird die Diﬀerentialgleichung 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 (Ren’s, Ren’s product und system progress time scale (SPTS)) akkurate Ergebnisse bei vertretbarem Aufwand liefern.
description: 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 ﬂuid dynamics (CFD) can be a great tool to investigate those phenomena and test certain scenarios with reduced eﬀort. 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 diﬀerential 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. Diﬀerent 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 ﬂame 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. Diﬀerent 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 (Ren’s, Ren’s 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.