Numerical simulations of turbulent mixing in complex flows

Abstract

For an accurate gas turbine combustion simulation the quality of the mean and fluctuating velocity, temperature, and species concentration field predictions is of critical importance. A typical flow pattern of a gas turbine combustion chamber comprises several complex jet configurations intricately interacting. Numerical representation of turbulence and mixing in such flows is a challenging task. Different aspects of modeling the turbulence and turbulent scalar mixing in complex jets are considered in this dissertation. Three complex jet test cases are selected for a systematic investigation in the present work: jet in crossflow, confined coaxial swirling jets, and confined coaxial jets without swirl. A comprehensive literature overview on the previous numerical investigations of these flows is given in chapter 1. Three main goals of the present work are formulated. The first one is the critical assessment of the widespread turbulent viscosity and turbulent scalar diffusivity Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approaches in application to the flow and mixing modeling in the selected test cases. The second aim is a thorough evaluation of the statistical data obtained in Large Eddy Simulations (LES) of three main test cases. This goal is set in order to provide a more comprehensive database for validating RANS models and to obtain variables of interest which cannot be determined easily in experiments due to measurement instrumentation limitations. The third aim of the present work is to understand the potential of the Scale-Adaptive Simulation(SAS) method and of the Unsteady RANS (URANS) approach for the mixing modeling in the considered flows. The most important question here is the clarification of the ability of different methods to correctly predict the flame propagation processes in the practically relevant case of autoignition in a jet in crossflow. Chapter 2 develops the theoretical framework of this dissertation. RANS and LES concepts are introduced and common modeling closure approaches for both methods are discussed. Chapter 3 is devoted to the study of the accuracy of RANS in three main test cases and to LES data evaluation. The results of RANS mean and fluctuating velocity and scalar field simulations are validated against experimental data and the outcome of accompanying LES calculations. The LES results, for the most part, agree better with the respective experimental data. Many of the tested RANS models show a clear trend of the underestimation of turbulence and mixing in the considered complex jet configurations. The influence of different equation terms and corrections on the RANS model accuracy is investigated. For a more thorough study, the resolved data fields from LES are used for the evaluation of the Reynolds-averaged turbulent viscosities, turbulent scalar diffusivities, and the main budget terms of the turbulent kinetic energy and the turbulent scalar variance transport equations. This data is also used to extract practically important information on the turbulent Schmidt numbers in the considered flows. The turbulent Schmidt numbers given by LES data evaluation fluctuate around 0.5 for the jet in crossflow case and 0.6 - 0.9 for both confined coaxial jet cases. Other important quantities needed for the validation of the common RANS modeling assumptions, such as production to dissipation ratios, modeling coefficients of the turbulent viscosity equation, turbulent scalar to velocity time scale ratios, are evaluated from LES data as well. This builds a comprehensive database useful for the further refinement of RANS modeling in gas turbine applications. A detailed discussion on the evaluation methods and on the obtained results is provided. In chapter 4 URANS and SAS calculations of the considered complex jet flows are presented.The accuracy of SAS is assessed on all three main test cases by comparing against the RANS and the LES data. For a comparative study of SAS and URANS, the jet in crossflow configuration is selected. The quantitative validation of the results against experimental data is supplemented by the visualization of the vortex structures resolved by both methods. Furthermore, the autoignition and the flame propagation in a jet in crossflow configuration is modeled using both URANS and SAS and qualitative differences in the flame front propagation predictions are assessed.

Für eine genaue numerische Simulation der Gasturbinenverbrennung ist die Qualität der Abbildung von Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Konzentrationsfeldern entscheidend. Typische Strömungsfelder der Gastubinenbrennkammer sind äußerst komplex und bestehen aus Elementen die miteinander interagieren. Die numerische Abbildung der Turbulenz und der Mischungsprozesse in solchen Strömungen ist daher herausfordernd. In der vorliegenden Dissertation werden unterschiedliche Aspekte der Modellierung der Strömung und der turbulenten skalaren Mischung in komplexen Strahlkonfigurationen betrachtet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden für detailiete Studien drei Grundtestfälle ausgewählt: Strahl in einer Querströhmung, eingeschlossene verdrallte koaxiale Strahlströmung, und eingeschlossene koaxiale Strahlströmung ohne Drall. Im Kapitel 1 werden die bekannten numerischen Untersuchungen solcher Strömungen in einer Literaturstudie zusammengestellt und diskutiert. Es werden drei Hauptziele dieser Arbeit genannt. Das erste Ziel ist ein kritischer Vergleich der hocheffizienten Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) Modelle für Turbulenz und Mischung für die ausgewählen Testfälle. Das zweite Ziel ist eine detailierte Auswertung der Daten, die in einer Large Eddy Simulation (LES) für die betrachteten Testfälle generiert werden. Dabei können in einer LES Auswertung auch Variablen beschafft werden, die im Experiment nicht zugänglich sind. Damit soll eine umfassende Datenbasis für die Validierung der RANS Modelle zur Verfügung stehen. Das dritte Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Potentials der Scale-Adaptive Simulation (SAS) und der instationären RANS (URANS) für die Mischungsmodellierung in den betrachteten Konfigurationen. Hier soll auch geklärt werden, wie gut die unterschiedlichen Simulationsmethoden die Flammenausbreitung nach der Selbstzündung in einem Vormischkanal mit Querstrahleinblasung wiedergeben können. Im Kapitel 2 wird der theoretische Hintergrund dieser Arbeit beleuchtet. Die Konzepte der RANS und LES werden vorgestellt, wobei insbesondere auf weitverbreitete Modelle eingegangen wird. Im Kapitel 3 werden RANS Studien und die Auswertung von LES Daten für drei Haupttestfälle präsentiert. Die RANS Ergebnisse für die Mittel- und Fluktuationswerte der Geschwindigkeitsfelder und der skalaren Konzentrationsfelder werden experimentellen Daten und LES Egebnissen gegenüber gestellt. Die LES ergibt meistens die beste Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Viele der untersuchten RANS Modelle zeigen eine klare Tendenz zur Unterschätzung der Turbulenz- und Mischungsintensität in den komplexen Strahlströmungen. Der Einfluss unterschiedlicher Gleichungsterme und Korrekturen auf die Genauigkeit der RANS Modelle wird untersucht. Für eine umfassendere Studie werden LES Daten für die Auswertung der turbulenten Viskositäten, turbulenten skalaren Diffusivitäten, Budgetterme der Transportgleichungen für die turbulente kinetische Energie und die turbulente skalare Varianz eingesetzt. Mit Hilfe dieser Daten wird auch die praktisch relevante Information über die Werte der turbulenten Schmidtzahl in den betrachtenen Testfällen gewonnen. Die mittleren turbulenten Schmidtzahlen aus der LES Auswertung liegen um 0.5 für den quereingedüsten Strahl und bei 0.6 - 0.9 für die beiden eingeschlossenen koaxialen Strahlströmungen. Es wurden weitere Größen (das Verhältnis der Produktions- und Dissipationsraten, der Modellierungskoeffizient der Gleichung für die turbulente Viskosität, das Verhältnis zwischen der Skalaren und der dynamischen Zeitskala) ausgewertet, die wichtig für die Validierung der verbreiteten RANS Modellierungsannahmen sind. So wird eine umfassende Datenbasis geschaffen, die für die weitere Verfeinerung der RANS Modelle im Hinblick auf die Gasturbinenapplikationen genutzt werden kann. Weiterhin wird eine detailierte Diskussion über die Auswertungsmethoden und die gewonnene Ergebnisse angeführt. Im Kapitel 4 sind URANS und SAS Rechnungen der betrachteten Testfälle präsentiert. Die Genauigkeit der SAS Ergebnisse wird mit RANS und LES Ergebnissen für die drei Haupttestfälle verglichen. Eine weitgehende Vergleichstudie zwischen SAS und URANS wird für die Querstrahlkonfuguration durchgeführt. Die Validierung der Rechenmethoden mit experimentellen Daten wird mit einer Visualisierung der aufgelösten Wirbelstrukturen begleitet. Desweiteren wird der Vorgang von Selbstzündung und Flammenausbreitung für die Konfiguration eines quereingedüsten Strahls mit Hilfe von URANS und SAS modelliert. Qualitative Differenzen in der Flammenfrontausbreitung werden besprochen und die Überlegenheit der SAS Methode für solche Simulationen aufgezeigt.