Direkte numerische Simulation des Transports aktiver Skalare in kompressibler turbulenter Strömung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der turbulente und molekulare Transport aktiver Skalare und deren kleinskalige Vermischung spielen bei Verbrennungsprozessen im Unter- und Überschau eine große Rolle. Für eine zuverlässige Vorhersage von Verbrennungsprozessen und -produkten ist daher eine verläßliche Vorhersage aller Mischungsvorgange Grundvoraussetzung. Über die Wichtigkeit dabei ablaufender detaillierter molekularer Transportprozesse (z B Thermodiffusion) gehen die Meinungen in der Literatur allerdings auseinander. Ziel der Untersuchungen war es daher, mit Hilfe genauer numerischer Verfahren und anhand einfacher geometrischer Konfigurationen, Aussagen über die Details von Mischungsvorgangen aktiver Skalare bei unterschiedlichen Machzahlen zu gewinnen und darüber hinaus Datensatze, die sich zur Verbesserung von Turbulenzmodellierungen eignen. Es wurden sich zeitlich entwickelnde ebene Mischungsschichten in einem Zustand turbulenter Selbstähnlichkeit bei unterschiedlichen Machzahlen in direkten numerischen Simulationen (DNS) und Large-Eddy-Simulationen (LES) untersucht. Sie zeichnen sich durch statistische Homogenität in Strömungs- und Spannweitenrichtung aus und sind nur quer zur Hauptströmung inhomogen. Zwischen den beiden Teilströmen entstehen Dichtegradienten entweder durch Temperatur- oder Speziesgradienten oder durch beide. Die ursprünglich geplanten Untersuchungen in Homogener Isotroper Turbulenz und in Homogener Scherturbulenz wurden durch Untersuchungen in reagierenden Scherschichten ersetzt, weil sich Ergebnisse für Isotrope Turbulenz schlecht zur Verbesserung von Turbulenzmodellen eignen und Ergebnisse in Homogener Scherturbulenz infolge konstanter Dichte im gesamten Feld ebenfalls schwer auf reale Vorgange übertragen lassen. Turbulente Mischungsschichten hingegen bilden einen typischen Baustein von Turbulenzfeldern. DNS-Ergebnisse: In turbulenten inerten Mischungsschichten mit Konvektionsmachzahlen zwischen 0 15 und 1 1, deren einer Teilstrom aus molekularem Sauerstoff und deren anderer aus molekularem Stickstoff besteht, werden die Turbulenzstrukturen mit steigender Machzahl geglättet und die zeitliche Wachstumsrate nimmt ab. Ferner nehmen alle Komponenten des Reynoldsschen Spannungstensors an Intensität ab. Es konnte gezeigt werden, daß dies eine Folge der Reduktion der Druckscherkorrelationen ist. Sie nehmen mit steigender Machzahl ab, weil die Druckfluktuationen mit der mittleren Dichte abnehmen. Diese durch Analyse der Poissongleichung für die Druckfluktuationen mit Hilfe einer Green-Funktion gewonnene Erkenntnis stellt einen entscheidenden Fortschritt gegenüber dem Stand der Forschung dar, weil er für die Turbulenzmodellierung eindeutige Hinweise liefert. Was die Bedeutung detaillierter Diffusionsprozesse betrifft, konnte gezeigt werden, daß diese Prozesse primär lokal auftreten und daher in den meisten statistischen Größen nur unbedeutende Effekte erzeugen, mit Ausnahme der skalaren Dissipationsraten, die für die Vorhersage lokaler Flammenauslöschung wichtig sind. In turbulenten reagierenden Mischungsschichten mit Konvektionsmachzahlen zwischen 0 15 und 1 1, treten infolge Wärmefreisetzung qualitativ ähnliche Effekte in der Turbulenzstruktur auf wie durch Kompressibilität. Vereinfachend wird Gleichgewichtschemie bei einer globalen Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion gerechnet. Detaillierte Diffusionsprozesse werden aus Rechenzeitgründen vernachlässigt. Kompressibilität und Wärmefreisetzung dämpfen den turbulenten Mischungsprozeß erheblich, was besonders bei Überschallverbrennung ganz unerwünscht ist. LES-Ergebnisse: Large-Eddy-Simulationen für inerte und reagierende Mischungsschichten wurden nur für die niedrige Machzahl von 0 15 durchgeführt. Das Schließungsproblem 2. Ordnung für konvektive Effekte in den Transportgleichungen wurde mit Hilfe der Approximate-Deconvolution-Methode von Stolz & Adams gelöst. Die Modellierung des gefilterten Wärmefreisetzungsterms erfolgte in Analogie zu einem RANS-Ansatz von Bilger (1980). Vergleiche mit DNS-Daten zeigen, daß sich fluidmechanische Größen durch LES zuverlässig vorhersagen lassen, während statistische Größen, die aktive Skalare enthalten, größere Mängel aufweisen. Grund dafür sind steile Gradienten der aktiven Skalare, die einer LES wegen des fehlenden hohen Wellenzahlenbereichs nie erfaßt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "LES of turbulent low Mach number shear layers with active scalars using explicit filtenng". In: Progress in Turbulence II, Springer Proceedings in Physics, (Eds M Oberlack et al), Vol 109, pp 257-260
I Mahle, J P Mellado, J Sesterhenn, R Friedrich
- „Dissipation of active scalars in turbulent temporally evolving shear layers with density gradients caused by multiple species". In: Direct and Large-Eddy Simulation VI, ERCOFTAC SERIES, (Eds E Lamballais et al), Springer 2006, pp 109- 116
I Mahle, J Sesterhenn, R Friedrich
- Direct and large-eddy simulation of inert and reacting compressible turbulent shear layers. Dissertation, 2007
Inga Mahle
- „On the turbulence structure in inert and reacting compressible mixing layers". J Fluid Mech vol 593, pp 171-180,2007
I Mahle, H Foysi, S Sarkar, R Friedrich
- „Turbulent mixing in temporal compressible shear layers involving detailed diffusion processes". Journal of Turbulence, Vol 8, No 1,2007
I Mahle, J Sesterhenn, R Friedrich
