Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Neste trabalho apresenta-se um estudo analítico e numérico de uma chama difusiva turbulenta de metano. Sob a hipótese de baixo número de Mach, desenvolve-se as equações de balanço das espécies químicas (oxigênio, combustível, dióxido de carbono, vapor d'água), fração de mistura, temperatura e quantidade de movimento. Usa-se o modelo Flamelet para desenvolver o trabalho com uma chama difusiva turbulenta. Soluções analíticas são desenvolvidas pela autora, de modo a compreender os mecanismos não lineares existentes e validar a solução numérica. A Simulação em Grandes Escalas (LES) é requisitada para representar o uxo turbulento. Na simulação numérica adota-se o método de diferenças nitas com um sistema não oscilatório do tipo TVD (Total Variational Diminishing), considerando um domínio tridimensional do tipo paralelepípedo, com condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Os resultados analítico e numérico da temperatura, fração de mistura e fração de massa das espécies são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. / This work presents an analytical-numerical study of a turbulent di usion ame of methane. The low Mach number ow hypothesis is assumed, to develop the balance equation of the chemical species (oxygen, fuel, carbon dioxide, water vapour), mixture fraction, temperature and momentum. The Flamelet model is employed to model the turbulent di usive ame. Analytical solutions are developed by the author, to understand the mechanisms of the nonlinear e ects and to validate the numerical solution. The Large Eddy Simulation (LES) is used to capture the turbulent ow. In the numerical simulation, the nite di erence method based on a non oscillatory TVD, Total Variational Diminishing scheme, assuming a three-dimensional parallelopiped domain, with Dirichlet and Neumann boundary conditions, is adopted. The analytical and numerical results for the temperature, mass fraction and mixture fraction are compared with experimental data in the literature.

Stationary gas turbines manufacturers and operators are under constant scrutiny to both reduce environmentally harmful emissions and obtain efficient combustion. Numerical simulations have become an integral part of the development and optimisation of gas turbine combustors. In this thesis work, the gas turbine combustion process is analysed in two parts, a study on air-fuel mixing and turbulent combustion. For computational fluid dynamic analysis work the open-source CFD code OpenFOAM and STAR-CCM+ are used. A fuel jet injected to cross-flowing air flow is simplified air-fuel mixing arrangement, and this problem is analysed numerically in the first part of the thesis using both Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) method and Large Eddy Simulation (LES) methods. Several turbulence models are compared against experimental data in this work, and the complex turbulent vortex structures their effect on mixing field prediction is observed. Furthermore, the numerical methods are extended to study twin jets in cross-flow interaction which is relevant in predicting air-fuel mixing with arrays of fuel injection nozzles. LES methods showed good results by resolving the complex turbulent structures, and the interaction of two jets is also visualised. In this work, all three turbulent combustion regimes non-premixed, premixed, partially premixed are modelled using different combustion models. Hydrogen blended fuels have drawn particular interest recently due to enhanced flame stabilisation, reduced CO2 emissions, and is an alternative method to store energy from renewable energy sources. Therefore, the well known Sydney swirl flame which uses CH4: H2 blended fuel mixture is modelled using the steady laminar flamelet model. This flame has been found challenging to model numerically by previous researchers, and in this work, this problem has been addressed with improved combustion modelling approach with tabulated chemistry. Recognizing that the current and future gas turbine combustors operate on a mixed combustion regime during its full operational cycle, combustion simulations of premixed/partially premixed flames are also performed in this thesis work. Dynamical artificially thickened flame model is implemented in OpenFOAM and validated using propagating and stationary premixed flames. Flamelet Generated Manifold (FGM) methods are used in the modelling of turbulent stratified flames which is a relatively new field of under investigation, and both experimental and numerical analysis is required to understand the physics. The recent experiments of the Cambridge stratified burner are studied using the FGM method in this thesis work, and good agreement is obtained for mixing field and temperature field predictions.

Die Arbeit befasst sich mit der Flamelet Modellierung für die Verbrennung von Kohlenstaub. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der detaillierten Betrachtung der Gasphasenchemie als auch auf der Interaktion der Kohle mit der Gasphase. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode für die Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen. Die energetische Umsetzung von Kohle läuft in drei wesentlichen Schritten ab: Verdampfung der Feuchtigkeit, Ausgasung der Kohle (Pyrolyse) und schließlich der Koksabbrand. Da die Struktur der Kohle als fossiler Brennstoff hoch komplex ist, existieren viele prädiktive, rechenaufwändige Modelle zur Beschreibung dieser Prozesse [1–4]. Diese Modelle können nicht direkt in numerischen Strömungssimulationen genutzt werden, dienen aber zur Kalibrierung einfacherer kinetischer Modelle. Diese in der Arbeit angewendete Prozedur wird in [5] beschrieben. Zur detaillierten Beschreibung des Abbaus der entstehenden höheren Kohlenwasserstoffe werden in der Simulation große Reaktionsmechanismen benötigt. Die Benutzung solcher Mechanismen ist mit großen Rechenzeiten verbunden und daher bleibt deren Anwendbarkeit auf einfache Anwendungsfälle beschränkt. Der Vorteil der Flamelet Modellierung besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen der komplette thermo-chemische Zustand, bestehend aus Temperatur, Druck und Zusammensetzung, mit nur wenigen charakterisierenden Kontrollvariablen abgebildet werden kann. Durch Vorgabe und Variation der Kontrollvariablen können diese Zustände mittels kanonischer Flammenkonfigurationen vorberechnet und in sogenannten Flamelettabellen abgespeichert werden. Für das klassische Flamelet / Fortschrittsvariablen Modell [6] wird der thermo-chemische Zustand über Mischungsbruch und Fortschrittsvariablen parametriert, dabei bestimmt der Mischungsbruch den Anteil an Brenn- stoff im Gemisch und die Fortschrittsvariable den Fortschritt der chemischen Reaktion. Die Kontrollvariablen werden in der numerischen Simulation transportiert, an Stelle der Energie- und Speziesgleichungen. Dies stellt für große Mechanismen eine dramatische Reduktion der zu lösenden Gleichungen dar. Der thermo-chemische Zustand ergibt sich per Look-up aus den Flamelettabellen. Im Zuge der Verbrennung trockener Kohle werden zwei Brennstoffe durch Pyrolyse und Koksabbrand freigesetzt. Für die Flamelet Modellierung bedeutet dies entsprechend je einen Mischungsbruch für Pyrolysegas und Produkte aus dem Koksabbrand. Neben der Fortschrittsvariablen wird ebenfalls die Enthalpie der Gasphase als Kontrollvariable benötigt aufgrund des intensiven Wärmeaustauschs zwischen Kohle und Gasphase. In der Arbeit erfolgt die Vorstellung der benötigten Transportgleichungen sowie die Beschreibung verschiedener Methoden zur Integration nicht-adiabater Zustände in Flamelettabellen. Dabei unterscheiden sich die vorgestellten Tabellierungstrategien hauptsächlich in der betrachteten Verbrennungsart. IV Erfolgt die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der untersuchten Flammenkonfiguration, spricht man von Diffusionsflammenstrukturen; sind beide schon gemischt, so entstehen Vormischflammenstrukturen. Die Detektion solcher Strukturen erfolgt in der Arbeit anhand einer Flammenstrukturanalyse mittels Flammenmarker. Die prinzipielle Übertragbarkeit des Flamelet / Fortschrittsvariablen Modells auf turbulente Kohlestaubfeuerung wurde von Watanabe [7] gezeigt, jedoch ist die Bewertung der eingesetzten Flamelet Modellierung in Grobstruktursimulationen nicht ohne weiteres möglich. Deshalb werden zur Verifizierung der entwickelten Tabellierungstrategie in der Arbeit einfache Flammenkonfigurationen betrachtet, die es erlauben, direkte Chemielösungen mit den Lösungen der tabellierten Chemie zu vergleichen. Für den entsprechenden Vergleich erfolgt die Vorstellung zweier Analysen. Bei der a priori Analyse wird der thermo-chemische Zustand der detaillierten Lösung mit dem tabellierten Zustand verglichen. Für den Look-up werden dabei die Kontrollvariablen der direkten Chemiesimulation benutzt. Die a posteriori Analyse ist der Vergleich einer voll gekoppelten Rechnung unter Benutzung der Tabellierungstrategie mit der zugehörigen detaillierten Rechnung. Die erste untersuchte Konfiguration stellt eine Gegenstromanordnung mit vorgewärmter Luft und Kohlebeladung dar. Die Hauptergebnisse dieser rein numerischen Studie wurden bereits veröffentlicht [8] und es konnte die erfolgreiche Applikation der vorgestellten Tabellierungstrategie in dieser Anordnung für Tabellen basierend auf Diffusionflammenstrukturen gezeigt werden. Für die Validierung der detaillierten Rechnungen erfolgt die Nutzung experimenteller Daten [9, 10] für magere Methan-Sauerstoff-Stickstoff Mischungen in Staupunktströmungen. Es zeigt sich, dass diese Konfigurationen stark von den vorgemischten Gasflammen dominiert werden und somit Tabellen basierend auf Vormischflammenstrukturen einzusetzen sind. Die entwickelte Tabellierungsmethode ist in der Lage, auch diese Flammenstrukturen abzubilden. Abschließend wird numerisch eine Parametervariation hinsichtlich Einlassgeschwindigkeit und Kohlebeladung vorgestellt, um die Robustheit und breite Anwendbarkeit der entwickelten Tabellierungstrategie aufzuzeigen. Zusammenfassend konnte mittels Flammenstrukturanalyse für jede vorgestellte Konfiguration der zu verwendende Typ der Tabelle bestimmt werden. In den untersuchten Konfigurationen führte deren Anwendung zu einer guten Übereinstimmung mit den detaillierten Rechnungen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für weiterführende Betrachtung zur Simulation großtechnischer Kohlestaubfeuerungen.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

No description available.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2005

Universiẗat, Diss., 2005--Karlsruhe.