Numerical simulations of soot formation in turbulent flows

Abstract

This work deals with the simulation of soot formation phenomena under gasturbine-like conditions. Main goal is the development of a reliable CFD simulation tool able to predict trends of soot formation under different operating conditions. A detailed, finite-rate chemistry combustion model is presented and validated. Since soot particles are the result of thousands of reactions involving hundreds of species, an efficient, new sectional approach for soot precursors and related reactions is chosen in this work. Effects of turbulent fluctuations in temperature and species concentration on the chemical reaction rate are included by employing an assumed Probability Density Function approach. Finally, the simulation of a semi-technical scale burner under gasturbine-like conditions will demonstrate the validity of the developed tools. Although discrepancies with experimental soot particle distributions are observed, numerical simulations are able to reproduce the pressure dependence of the peak soot volume fraction quite well.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Rußbildungsvorgängen unter gasturbinen-ähnlichen Bedingungen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines zuverlässigen Computerprogramms, mit dem der Trend von Rußverteilungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen vorhergesagt werden kann. Ein Verbrennungsmodell, das auf detaillierter chemischer Kinetik (Finite-Rate Chemistry) basiert, ist implementiert und validiert worden. Da die Rußbildung sehr komplexen Reaktionpfaden folgt und zahlreiche Spezies daran beteiligt sind, wird in dieser Arbeit ein neuer sektionaler Ansatz für die Rußvorläufer verwendet. Eine vorgegebene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Assumed PDF - Probability Density Function) für die Modellierung der Temperatur- und Speziesfluktuationen wird hergeleitet und validiert. Zur Demonstration der Anwendbarkeit des entwickelten Computerprogramms auf Fluggasturbinen wird eine halb-technische Brennkammer simuliert. Trotz einiger beobachteter Unterschiede, die auf ein sehr komplexes Strömungsfeld zurückzuführen sind, wird die Druckabhängikeit des Rußvolumenbruches durch die numerische Simulation recht gut wiedergegeben.