Entwicklung und Validierung eines LES-Skalar-Transportmodells für nichtreagierende und reagierende turbulente Strömungen
Final Report Abstract
Im gemeinsamen Forschungsvorhaben der Universitäten Erlangen (Prof. Leipertz), Siegen (jetzt Hannover, Prof. Dinkelacker) und Darmstadt (Prof. Sadiki) wurden sowohl experimentelle als auch numerische Modellierungsarbeiten für die Berechnung von turbulenten Strömungen und Flammen durchgeführt. Speziell ging es in der zweiten Projektphase um die Entwicklung und Validierung von Modellen für den Skalartransport im Rahmen der Grobstruktursimulation (Large-Eddy-Simulation, LES) von reagierenden turbulenten Strömungen mit hohen Reynoldszahlen. Hierbei wurden turbulente Vormischflammen untersucht. Auf der messtechnischen Seite konnte erstmals in turbulenten Flammen eine detaillierte dreidimensionale Zwei-Ebenen-Stereo-PIV-Messtechnik eingesetzt werden, die es erlaubte, auch die dreidimensionalen Strömungsgradienten aufzulösen. Die hochaufgelöste konditionierte PIV Technik (CPIV) erlaubte die direkte instantane Vergleichsmessung von Subgrid-Scale-Termen mit den in der numerischen Modellierung verwendeten SGS-Modelltermen. Damit konnte das hochgesteckte Ziel erreicht werden, experimentell alle in den Modellierungsansätzen auftretenden Größen zu erfassen, um so eine Messtechnik für die apriori Untersuchung von LES-relevanten Schließungstermen zu entwickeln. An einer Serie von turbulenten V-Flammen, die auch mit den Grunddaten (Einlassbedingungen, Strömungen, Turbulenz, Flammenposition) vermessen wurden, wurde dies erprobt. Durch die rein aus Messungen hervorgehenden Korrelationen zwischen direkter Messung und modellierten Werten in Form von Streudiagrammen konnte gezeigt werden, dass gradientenbasierte Modelle ähnlich wie im RANS-Kontext Antikorrelationen mit den experimentellen Ergebnissen liefern. Dagegen erwies sich die numerische Schließung über einen Term, der die lokale Anisotropie der Strömung berücksichtigt, erheblich passender, auch unter dem Einfluss unterschiedlicher Reynoldszahlen, Äquivalenzverhältnisse und Brennstoffe. Auch ein von Clark vorgestelltes Modell erscheint interessant. Zusätzlich wurde die Machbarkeit der Überprüfung von Feinstrukturmodellen zur Schließung des dichtegewichteten Feinstrukturspannungstensors untersucht. Am Beispiel des Smagorinsky-Modells wurde ein komponentenweiser Vergleich mit den experimentell ermittelten Werten der gefilterten Feinstrukturspannungen vorgenommen, die, wie aus diversen Studien in nicht-reagierenden Strömungen bereits belegt, auch für die untersuchte reagierende Strömung eine schlechte Korrelation aufwiesen. Auf der Modellierungsseite wurden die experimentell erzielten Ergebnisse genutzt, um verschiedene Modelle zu erproben und letztlich ein neues Modell zu entwickeln. Dieses wurde an den gemessenen Flammenkonfigurationen erprobt. Eine Reihe auch gemeinsamer Publikationen zeigt die fruchtbaren Ergebnisse dieser Arbeiten. In Ergänzung dazu konnten noch weitere Modellierungsstudien durchgeführt werden, bei denen Konfigurationen aus der Literatur ausgesucht wurden, um das neue entwickelte Modell auch in nicht-vorgemischter Umgebung validieren zu können. Diese waren eine Mikrobrennkammer, um die Vorhersagekraft des Modells bei hohen Schmidtzahlen von flüssigen Brennstoffen zu evaluieren und eine generische Gasturbinenbrennkammer, um dies in komplexen Geometrien zu beurteilen. Neben den Effekten der Geometrie und der Betriebsbedingungen (Re des reagierenden Jets) konnten die Selektivität der chemischen Reaktion, die Effekte der Damköhler-Zahl untersucht werden. Die auftretenden Wirbelstrukturanordnungen und Wirbelwechselwirkungen konnten qualitativ untersucht werden.
Publications
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Experimental Assessment of Scalar Flux Models for Large Eddy Simulations of Non-Reacting Flows. In: "Turbulence, Heat and Mass Transfer 5" (Eds.: K. Hanjalic, Y. Nagano, S. Jakirlic) Begell House Inc., 2006, p. 263-266
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Experimental Determination of the Sub-grid Scale Scalar Flux in a Non-Reacting Jet-Flow. Flow, Turbulence and Combust., 2008. 81(1-2): p. 205-219
Löffler, M., Pfadler, S., Beyrau, F., Leipertz, A., Dinkelacker, F., Huai, Y., and Sadiki, A.
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Direct evaluation of the subgrid-scale scalar flux in turbulent premixed flames with conditioned dual-plane stereo PIV. Proc. Combust. Inst., 2009. 32(2): p. 1723-1730
Pfadler, S., Kerl, J., Beyrau, F., Leipertz, A., Sadiki, A., Scheuerlein, J., and Dinkelacker, F.
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Laser Diagnostics for the Model Development in Turbulent Premixed Flames. Z. Phys. Chem., 2009, 223, 481-502
Dinkelacker, F., Pfadler, S., Leipertz, A.
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A-priori testing of an eddy viscosity model for the density weighted subgrid scale stress tensor in turbulent premixed flames. Exp. Fluids, 2010, 49, 839-851
Pfadler, S., Beyrau, F., Dinkelacker, F. and Leipertz, A.
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LES of Premixed V-Flame Using Anisotropic SGS Scalar Flux Model. Seventh Mediterranean Combustion Symposium, Cagliari, Sardinia, September 2011
Pantangi, P., Chrigui, M., Dinkelacker, F., Sadiki, A.
