Synek, Benjamin (2018)
Simulation reaktiver Mehrphasenströmungen mit einer Momentenmethode und tabellierter Chemie.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Vor dem Hintergrund des Inkrafttretens strengerer Emissionsgesetze, sowie der Entwicklung neuer Triebwerkstechnologien besteht ein hohes Interesse am Einsatz numerischer Simulationen zur Auslegung und Optimierung von Verbrennungsprozessen. Die angewendeten Modelle beinhalten Ansätze zur Beschreibung der komplexen physikalischen Phänomene wie z.B. dem Zerfall des Brennstoffstrahls, der Dispersion der Tropfen, der Interaktion der Tropfen mit der Gasphase, sowie der Massen- und Wärmetransfermechanismen. Ausgehend von der Beschreibung der Gemischbildung können für reaktive Konfigurationen somit Aussagen über die Verbrennung, bzw. deren Effizienz, sowie die Schadstoffbildung gemacht werden.
Aufgrund des hohen numerischen Aufwands sind detaillierte Betrachtungsweisen sehr aufwendig und derzeit noch nicht kommerziell anwendbar. Numerische Modelle zur Beschreibung von Spray-Simulationen basieren daher zumeist auf Verteilungsfunktionen, die zeitliche und räumliche Veränderung der Verteilungsfunktion wird mit einer kinetischen Boltzmann-Gleichung beschrieben. Zur Lösung dieser Gleichung stehen zwei Ansätze zur Verfügung: Stochastische Lagrange und Euler-basierte Momentenmethoden. Stochastische Lagrange-Methoden beinhalten hierbei zwar eine akkurate Beschreibung der auftretenden physikalischen Phänomene, der zu erwartende Rechenaufwand und die optimale Parallelisierung sind jedoch bisher herausfordernde Fragestellungen. Momentenmethoden stellen eine effiziente Alternative dar und bieten Vorteile hinsichtlich der effizienten Parallelisierung, sowie der Kopplung der Phasen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein hybrider Ansatz angewendet, der eine quadraturbasierte Momentenmethode, die DQMoM (Direct Quadrature method of Moments), mit einer sektionalen Formulierung der Verteilungsfunktion kombiniert. Der Ansatz basiert hierbei auf einer Aufteilung der Verteilungsfunktion auf Basis eines operator-splitting-Ansatzes in einen physikalischen und phasenbasierten Raum mit der entsprechenden separaten Betrachtung der auftretenden Phänomene. Zur Beschreibung der Massen- und Wärmetransfermechanismen innerhalb der Sektionen wird die EMSM-Methode (Eulerian Multi-Size Moment), sowie ein realistisches Gleichgewichtsmodell von Abramzon und Sirignano angewendet.
Sobald ein zünd- und brennbares Gemisch aus Oxidator und verdampftem Brennstoff vorliegt, finden chemische Reaktionen statt. Zur numerischen Lösung der chemischen Reaktionen stehen drei grundlegende, unterschiedlich komplexe Ansätzen zur Auswahl. Diese Ansätze basieren auf der Lösung weniger globaler Gleichungen, der Lösung mit Zugriff auf vorab tabellierte, chemische Reaktionen und deren Zwischenreaktionen, sowie der Lösung einer Vielzahl detaillierter Reaktionsgleichungen.
Bei einer detaillierten Betrachtung wird für jede vorkommende Spezies eine Transportgleichung aufgestellt, die Lösung dieser Mechanismen ist somit sehr rechenzeitaufwendig. Die Lösung weniger globaler Gleichungen wiederum deckt viele Aspekte von Interesse nicht ab - aus diesem Grund werden oftmals tabellierte Ansätze angewendet. Die Reaktionsmechanismen werden dabei in Tabellen abgespeichert, auf die mithilfe der sog. Kontrollvariablen während der Simulation zugegriffen wird. Die Erzeugung der Tabellen erfolgt im Vorfeld der eigentlichen Simulation und basiert auf dem Ansatz, dass eine sich ausbreitende Flamme anhand einer Vielzahl kleiner, eindimensionaler Flammen dargestellt werden kann. Die Interaktion zwischen turbulenten Strukturen und chemischen Reaktionen wird mit Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen realisiert.
Die Validierung der Kopplung erfolgt im Rahmen eines polydispersen, reaktiven Sprays. Die erzielten numerischen Resultate werden mit experimentellen Resultaten von drei ausgewählten Konfigurationen des sog. Sydney-Spray-Brenners für flüssige Brennstoffe unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen verglichen.
Typ des Eintrags: | Dissertation | ||||
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Erschienen: | 2018 | ||||
Autor(en): | Synek, Benjamin | ||||
Art des Eintrags: | Erstveröffentlichung | ||||
Titel: | Simulation reaktiver Mehrphasenströmungen mit einer Momentenmethode und tabellierter Chemie | ||||
Sprache: | Deutsch | ||||
Referenten: | Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Lang, Prof. Dr. Jens ; Janicka, Prof. Dr. Johannes | ||||
Publikationsjahr: | 8 Dezember 2018 | ||||
Ort: | Darmstadt | ||||
Verlag: | tuprints | ||||
Datum der mündlichen Prüfung: | 24 Oktober 2017 | ||||
URL / URN: | http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7608 | ||||
Kurzbeschreibung (Abstract): | Vor dem Hintergrund des Inkrafttretens strengerer Emissionsgesetze, sowie der Entwicklung neuer Triebwerkstechnologien besteht ein hohes Interesse am Einsatz numerischer Simulationen zur Auslegung und Optimierung von Verbrennungsprozessen. Die angewendeten Modelle beinhalten Ansätze zur Beschreibung der komplexen physikalischen Phänomene wie z.B. dem Zerfall des Brennstoffstrahls, der Dispersion der Tropfen, der Interaktion der Tropfen mit der Gasphase, sowie der Massen- und Wärmetransfermechanismen. Ausgehend von der Beschreibung der Gemischbildung können für reaktive Konfigurationen somit Aussagen über die Verbrennung, bzw. deren Effizienz, sowie die Schadstoffbildung gemacht werden. Aufgrund des hohen numerischen Aufwands sind detaillierte Betrachtungsweisen sehr aufwendig und derzeit noch nicht kommerziell anwendbar. Numerische Modelle zur Beschreibung von Spray-Simulationen basieren daher zumeist auf Verteilungsfunktionen, die zeitliche und räumliche Veränderung der Verteilungsfunktion wird mit einer kinetischen Boltzmann-Gleichung beschrieben. Zur Lösung dieser Gleichung stehen zwei Ansätze zur Verfügung: Stochastische Lagrange und Euler-basierte Momentenmethoden. Stochastische Lagrange-Methoden beinhalten hierbei zwar eine akkurate Beschreibung der auftretenden physikalischen Phänomene, der zu erwartende Rechenaufwand und die optimale Parallelisierung sind jedoch bisher herausfordernde Fragestellungen. Momentenmethoden stellen eine effiziente Alternative dar und bieten Vorteile hinsichtlich der effizienten Parallelisierung, sowie der Kopplung der Phasen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein hybrider Ansatz angewendet, der eine quadraturbasierte Momentenmethode, die DQMoM (Direct Quadrature method of Moments), mit einer sektionalen Formulierung der Verteilungsfunktion kombiniert. Der Ansatz basiert hierbei auf einer Aufteilung der Verteilungsfunktion auf Basis eines operator-splitting-Ansatzes in einen physikalischen und phasenbasierten Raum mit der entsprechenden separaten Betrachtung der auftretenden Phänomene. Zur Beschreibung der Massen- und Wärmetransfermechanismen innerhalb der Sektionen wird die EMSM-Methode (Eulerian Multi-Size Moment), sowie ein realistisches Gleichgewichtsmodell von Abramzon und Sirignano angewendet. Sobald ein zünd- und brennbares Gemisch aus Oxidator und verdampftem Brennstoff vorliegt, finden chemische Reaktionen statt. Zur numerischen Lösung der chemischen Reaktionen stehen drei grundlegende, unterschiedlich komplexe Ansätzen zur Auswahl. Diese Ansätze basieren auf der Lösung weniger globaler Gleichungen, der Lösung mit Zugriff auf vorab tabellierte, chemische Reaktionen und deren Zwischenreaktionen, sowie der Lösung einer Vielzahl detaillierter Reaktionsgleichungen. Bei einer detaillierten Betrachtung wird für jede vorkommende Spezies eine Transportgleichung aufgestellt, die Lösung dieser Mechanismen ist somit sehr rechenzeitaufwendig. Die Lösung weniger globaler Gleichungen wiederum deckt viele Aspekte von Interesse nicht ab - aus diesem Grund werden oftmals tabellierte Ansätze angewendet. Die Reaktionsmechanismen werden dabei in Tabellen abgespeichert, auf die mithilfe der sog. Kontrollvariablen während der Simulation zugegriffen wird. Die Erzeugung der Tabellen erfolgt im Vorfeld der eigentlichen Simulation und basiert auf dem Ansatz, dass eine sich ausbreitende Flamme anhand einer Vielzahl kleiner, eindimensionaler Flammen dargestellt werden kann. Die Interaktion zwischen turbulenten Strukturen und chemischen Reaktionen wird mit Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen realisiert. Die Validierung der Kopplung erfolgt im Rahmen eines polydispersen, reaktiven Sprays. Die erzielten numerischen Resultate werden mit experimentellen Resultaten von drei ausgewählten Konfigurationen des sog. Sydney-Spray-Brenners für flüssige Brennstoffe unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen verglichen. |
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Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-76086 | ||||
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau | ||||
Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 16 Fachbereich Maschinenbau 16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Energie- und Kraftwerkstechnik (EKT) |
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Hinterlegungsdatum: | 05 Aug 2018 19:55 | ||||
Letzte Änderung: | 05 Aug 2018 19:55 | ||||
PPN: | |||||
Referenten: | Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Lang, Prof. Dr. Jens ; Janicka, Prof. Dr. Johannes | ||||
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 24 Oktober 2017 | ||||
Export: | |||||
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