Numerical Simulation of Turbulent Flames based on Reaction-Diffusion Manifolds (REDIM) Reduced Chemistry
Creators: name: Yu, Chunkan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: 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.