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Large eddy and direct numerical simulation of single and multiphase flows relying on lagrangian particle methods

Rieth, Martin

In this work, tools are developed for different applications of Lagrangian particle methods in large eddy simulation (LES) and direct numerical simulation (DNS), to represent solid fuel particles, and notional gas phase particles in the Lagrangian transported filtered density function (FDF) method. In the first part of this work, the computational framework for pulverized coal combustion LES relying on Lagrangian particles is extended by the incorporation of a multi-dimensional flamelet model for gas phase combustion and different devolatilization models. The multidimensional flamelet model is parameterized by two mixture fractions for volatiles and char off-gases, enthalpy and scalar dissipation rate. The framework and modeling is adapted to a semi-industrial scale coal furnace and a laboratory coal jet flame to validate the simulation approach in a realistic case and to study devolatilization models in detail. The data is analyzed and extensively compared to experimental measurements, with emphasis on species and temperature predictions, burnout statistics, radiation, and devolatilization and ignition behavior. To be able to better understand the ignition process and provide a database for flamelet modeling, the code is extended for pulverized coal combustion simulation DNS. This includes the incorporation of species transport, chemical kinetics and appropriate solvers. The DNS data is analyzed in detail, focusing on the ignition behavior, burning modes, heat losses and pseudo-flamelet structures, providing valuable implications for flamelet modeling in the LES. For the second part of this work, a transported filtered density function (FDF) method is implemented into the LES code. This transported FDF method is then modified to combine cost-effective flamelet-based presumed FDF models with accurate transported FDF finite rate chemistry strategies in a hybrid manner. The hybrid method relies on seeding Lagrangian particles representing the transported FDF only at those locations of the flame where the flamelet model is insufficient, aiming to improve accuracy at an affordable cost. This hybrid method is tested on the Sydney/Sandia piloted jet flame with inhomogeneous inlets. It is shown that the method can accurately predict the flame with a greatly reduced number of computational particles.

In dieser Arbeit wurden Werkzeuge für verschiedene Anwendungen von Lagrange-Partikel- Methoden in Grobstruktursimulationen (LES) und ,Direkten Numerischen Simulationen’ (DNS) entwickelt, zum einen um Partikel aus Festbrennstoff, und zum anderen um ,fiktive’ Gasphasenpartikel in der Methode der Lagrange-transportierten gefilterten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zu beschreiben. In dem ersten Teil der Arbeit wurde das numerische Grundgerüst für die Grobstruktursimulation von Kohlenstaubverbrennung, welches auf der Lagrange’schen Beschreibung der Kohlepartikel beruht, durch die Implementierung eines mehrdimensionalen Flamelet-Modells zur Beschreibung der Gasphasenverbrennung und von verschiedenen Pyrolyse-Modellen erweitert. Das mehrdimensionale Flamelet-Modell ist durch zwei Mischungsbrüche für die Volatilen und die Koksabbrandgase, sowie Enthalie und skalare Dissipationsrate parametrisiert. Die numerische Methode und Modellierung wurde für die Simulation einer semi-industriellen Brennkammer und einer Kohlestrahlflamme angepasst, um die Simulationsmethode anhand eines realistischen Falls zu validieren und Pyrolyse- modelle im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden analysiert und umfassend mit den Experimenten verglichen, wobei der Fokus auf Spezies- und Temperaturvorhersagen, Ausbrandstatistiken, Strahlung, sowie Pyrolyse- und Zündverhalten lag. Um ein besseres Verständnis des Zündprozesses zu erlangen, sowie eine Datenbank für zukünftige Flamelet-Modellierung zu liefern, wurde der Code um die Möglichkeit der DNS von Kohlestaubfeuerung erweitert. Dies beinhaltet den Transport von chemischen Spezies, die Beschreibung chemischer Reaktionen sowie entsprechende Löser. Die DNS wurde im De- tail untersucht, wobei der Fokus auf dem Zündverhalten, den Brennmodi, Wärmeverlusten und Pseudo-Flameletstrukturen lag, um so eine wertvolle Basis für detailliertere LES Flamelet-Modellierung zu liefern. Für den zweiten Teil der Arbeit wurde die Methode der Lagrange-transportierten gefilterten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (FDF) in den LES Code implementiert. Diese transportierte FDF Methode wurde im Anschluss modifiziert, um kosteneffektive Flamelet-basierte und angenommene FDF Strategien mit den auf der genauen transportierten FDF mit zeitaufgelöster detaillierter Chemie beruhenden Strategien, in einer hybriden Methode zu kombinieren. Diese hybride Methode beruht auf dem Einsatz von Partikeln nur dort, wo das Flamelet-Modell unzureichend ist, mit dem Ziel die Genauigkeit bei erschwinglichem Aufwand zu verbessern. Die hybride Methode wurde anhand der Simulation der pilotierten Sydney/Sandia Flamme mit inhomogenem Einlass getestet. Dabei zeigte sich, dass die Methode diese Flamme mit einer deutlich verkleinerten Anzahl an Partikeln genau vorhersagen kann.

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Rieth, Martin: Large eddy and direct numerical simulation of single and multiphase flows relying on lagrangian particle methods. 2018.

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