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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
47614
Projekttitel
Direkte numerische Simulation der Verbrennung bei höheren Reynoldszahlen

Texte zu diesem Projekt
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Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Publikationen / Ergebnisse
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
TP0075;F-Verbrennung
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Durch die Weiterentwicklung zuverlässiger und genauer Simulationszwecke kann die Optimierung von Verbrennungssystemen hinsichtlich des Zielkonflikts Energieeffizienz (CO2-Reduktion) und Schadstoffemissionen vorangetrieben werden. Der Rechenaufwand für technische turbulente Flammen ist aber beträchtlich; ein neues PC-Linux-Cluster am LAV/ETHZ soll zusammen mit unserem 3-D DNS-Code erste modellfreie Simulationen einer turbulenten Flamme bis zum Projektabschluss ermöglichen. Aus den DNS-Daten sollen robuste Modelle der turbulenten Verbrennung für noch höhere Reynolds-Zahlen, wie sie in technischen Verbrennungssystemen vorkommen, abgeleitet werden. Die Ergebnisse werden direkt in parallel laufenden Forschungs- und P&D-Projekte einfliessen.
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
Die direkte numerische Simulation (DNS) ist eine leistungfähige Methode für die detaillierte Analyse von Verbren-nungsprozessen. Unser paralleller dreidimensionaler DNS Code basiert auf der Methode der Spektrale Elemente, welche die geometrische Flexibilität eines Finite-Elemente-Ansatzes mit der Genauigkeit des Spektralem Methoden vereiningt und insbesondere für numerische Simulationen geometrisch komplexen Anordnungen geeignet ist. Die Chemie und die Transportprozesse sind zurzeit durch vereinfachte Modelle beschrieben. Dieser Code wird für die Untersuchung von laminaren und transitional Verbrennungsprozessen angewendet. Zudem wird auf der Basis die-ses Codes der Large Eddy Simulation (LES) Ansatz zur Simulation der turbulenten Verbrennung implementiert. Die perfekte Skalierbarkeit des parallelen Codes erlaubte uns Instabilitäten in Diffusionsflammen nahe der Auslöschung in einem dreidimensionalen Jet zu untersuchen und die zellenförmige Strukturen die experimentel an der EPFL beobachtet wurden zu simulieren. Während des Berichtjahres 2004, wurde der Code durch das Implementieren der axialsymmetrischen Erhaltungsgleichungen und eines parallelen Integrators für steife Differentialgleichungen erweitert. Die Kopplung mit dem Programmpaket CHEMKIN wird die detailierte Beschreibung der Chemie und Transportprozesse ermöglichen. Zusätzlich zur Weiterentwicklung, wird der Code zur Zeit für die Simulation pulsie-render Diffusionsflammen angewendet. Die direkte numerische Simulation der turbulenten Mischung reagierender und nicht-reagierender Strömungen ist für das nächste Jahr vorgesehen.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zentrum, Institut für Energietechnik, Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennung

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Boulouchos,Konstantinos
Frouzakis,Christos
Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Deutsch)
Direkte numerische Simulation kann sehr detaillierte und genaue Resultate in grosser räumlicher und zeitlicher Auflösung liefern, welche auf andere Weise nur schwer erhalten werden können. Diese Genauigkeit muss allerdings mit einem grossen Rechenaufwand bezahlt werden, welcher die Anwendung von effizienten numerischen Algorithmen und Parallelisierung für Simulationen von Strömungen mit hohen Reynoldszahlen unabdingbar macht. Während einem grossen Teil der Projektdauer wurden unsere Simulationswerkzeugen verbessert und den ausgebaut. Die Algorithmen unseres alten seriellen 2-D/axialsymmetrischen Codes wurden in einen parallelen 3-D Code für nicht reaktive Strömungen implementiert, welcher effiziente Lösungsverfahren verwendet und dessen Rechenleistung auf verschiedenen parallelen Systemen sehr gut mit der Anzahl verwendeter Prozessoren skaliert. Simulationen mit detaillierter Chemie und detaillierten Transporteigenschaften wurden durch die Verknüpfung mit den Chemkin Bibliotheken ermöglicht, und ein paralleler Integrator für steife Systeme wurde für die effiziente, implizite Integration der Spezies- und Energieerhaltungsgleichungen in den Code integriert. Dieser parallele Code wird für die Untersuchung von Strömungen in frühen turbulenten Bereich verwendet werden und dient als Basis für die Erweiterungen zur Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation) mit welcher turbulente Flammen modelliert werden können. Was die Anwendungen anbelangt, wurden die Untersuchungen von Verbrennungsinstabilitäten weitergeführt, welche stark von einer Vielzahl von Parametern abhängen und für deren Erklärung und Verständnis eine Kombination von experimentellen und numerischen Resultaten nötig ist. Die seriellen und parallelen Codes wurden für die Simulation der transienten Veränderungen der Flammcharakteristik (Diffusions-/Edgeflamme) in Gegenstrahlbrennern, als auch für die Simulation von zellularen oder pulsierenden Flamminstabilitäten in Jet-Diffusionsflammen nahe der Auslöschung, eingesetzt. Zusätzlich werden momentan mit dem parallelen Code Simulationen der Interaktion von vorgemischten Flammen unterschiedlicher Dicke mit Turbulenz von unterschiedlicher Intensität und charakteristischer Wirbelgrösse durchgeführt. Die so generierten Resultate werden in die Entwicklung von Modellen für turbulente Verbrennung einfliessen.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zentrum, Institut für Energietechnik, Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennung

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Frouzakis,Christos
Boulouchos,Konstantinos
Zugehörige Dokumente