Numerical simulation of pulsed and stratified combustion
This work numerically investigates pulsed jets and stratified combustion by large eddy simulation (LES) and direct numerical simulation (DNS). In the first part, the numerical models are tested and further developed to reproduce two well-known transient jet experiments. The first experiment is a non-reactive pulsed jet, where the mixing dynamics are investigated by comparing the pseudo-DNS with the experimental evidence. The second experiment is an auto-igniting pulsed jet where the chemistry is described first by a multi-dimensional pressure-sensitive tabulated chemistry method and afterwards by a direct chemistry approach with an advanced chemical mechanism for deeper analysis and validation. The cycle-to-cycle variations of a pulsed jet are analysed in terms of ignition dynamics and thermochemical states of minor species over the entire ignition duration.
In the second part, the well-known turbulent stratified burner from Cambridge is simulated. Initially, the stratification effects on one-dimensional unsteady flames are investigated. The conventional flame speed definitions for premixed flames are extended for the stratified flame context. It is shown that even the reduced chemical mechanism can show strong stratification effects, which are amplified in strength when realistic diffusion velocity assumption is employed. The highly stratified Cambridge burner was then recomputed using tabulated chemistry with an artificially thickened flame approach to test the turbulent-flame interaction models. In turbulent flames, the lost flame surface due to the thickening of the flame is reintroduced by wrinkling models initially proposed for premixed flames. The applicability of these wrinkling models to stratified flames is tested. Finally, the moderately stratified Cambridge burner is simulated by pseudo-DNS and tabulated chemistry to analyse the turbulence and stratified flame interactions. The pseudo-DNS data-set is extracted into two separate zones consisting of either premixed or stratified modes of combustion. The analysis focuses on comparing the diffusion fluxes, the flame structure, and the displacement speed of the zone with a premixed flame to the zone with a stratified flame. The present work provides answers to many questions regarding the pulsed jets and stratified flames using state of the art numerical methods.
In dieser Arbeit werden gepulste Jets und stratifizierte Verbrennung durch Grobstruktursimulationen (LES) und direkte numerische Simulationen (DNS) untersucht. Zunächst wurden die numerischen Modelle getestet und weiterentwickelt, um die Ergebnisse aus zwei bekannten Experimenten zu reproduzieren, die instationäre Jets untersucht hatten. Bei dem ersten Experiment wurde eine nicht-reaktive Strömung (gepulster Jet) untersucht, dessen Ergebnisse wir verwendet haben um die Mischungsdynamik der Quasi-DNS zu validieren. Im zweiten Experiment wurde ein gepulster Jet mit Selbstzündung untersucht, wobei die Zündung und Verbrennung in der Simulation zunächst durch eine mehrdimensionale druckabhängige tabellierte Chemiemethode beschrieben wurde, und im Anschluss durch Finite-Raten-Chemie und einem fortgeschrittenen Reaktionsmechanismus zur tiefergehenden Analyse und Validierung ersetzt wurde. Die zyklischen Variationen eines gepulsten Jets wurden Im Bezug auf Zünddynamik und die thermochemischen Zustände der Zwischenspezies über die gesamte Simulationszeit hinweg analysiert.
Im zweiten Teil wurde der bekannte turbulente stratifizierte Brenner aus Cambridge simuliert. Zunächst wurden die Auswirkungen der Stratifizierung auf eindimensionale instationäre Flammen untersucht. Die konventionellen Flammengeschwindigkeitsdefinitionen für vorgemischte Flammen wurden dazu für den stratifizierten Flammenkontext erweitert. Es wird ebenfalls gezeigt, dass der reduzierte chemische Mechanismus starke Stratifizierungseffekte reproduzieren kann, die sich bei Berücksichtigung realistischer Diffusionsgeschwindigkeiten der einzelnen Spezies noch weiter ausbilden. Der stark-stratifizierte Cambridge-Brenner wurde dann unter der Verwendung der tabellierten Chemiemethode mit einem `künstlich verdickten Flammenansatz' (ATF) simuliert, um die Modelle zur Wechselwirkung zwischen der Turbulenz und der Flamme zu testen. Die verlorene Flammenoberfläche infolge der Turbulenz wurde mit Hilfe der `Faltenbildung-Modelle' korrigiert, die ursprünglich für vorgemischte Flammen konzipiert wurden. Die Anwendbarkeit dieser Wrinkling-Modelle auf stratifizierte Flammen wurde getestet. Schließlich wurde der stark stratifizierte Cambridge-Brenner mit Quasi-DNS und tabellierter Chemie simuliert, um die Wechselwirkungen zwischen der Turbulenz und der stratifizierten Flamme zu analysieren. Der Quasi-DNS-Datensatz wurde in zwei separaten Bereichen analysiert, die entweder aus vorgemischten oder stratizifierten Verbrennungsmodi bestehen. Die Analyse konzentriert sich auf den Vergleich der Diffusionsflüsse, der Flammenstruktur und der Bewegungsgeschwindigkeit der Flammenoberfläche um dem Bereich mit einer vorgemischten Flamme und dem Bereich mit einer stratizifierten Flamme. Diese Arbeit beantwortet viele Fragen zum Thema gepulste Jets und stratifizierte Flammen mit Hilfe des Standes der Technik für numerische Methoden.