Tese
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF
Mathematical and numerical modeling of turbulent reactive ows using a hybrid LES / PDF methodology
Registro en:
VEDOVOTO, João Marcelo. Mathematical and numerical modeling of turbulent reactive ows using a hybrid LES / PDF methodology. 2011. 227 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.
Autor
Vedovoto, João Marcelo
Institución
Resumen
The present work is devoted to the development and implementation of a computational
framework to perform numerical simulations of low Mach number turbulent reactive
ows.
The numerical algorithm designed for solving the transport equations relies on a fully implicit
predictor-corrector integration scheme. A physically consistent constraint is retained
to ensure that the velocity eld is solved correctly, and the numerical solver is extensively
veried using the Method of Manufactured Solutions (MMS) in both incompressible and
variable-density situations. The nal computational model relies on a hybrid Large Eddy
Simulation / transported Probability Density Function (LES-PDF) framework. Two dierent
turbulence closures are implemented to represent the residual stresses: the classical and
the dynamic Smagorinsky models. The specication of realistic turbulent in
ow boundary
conditions is also addressed in details, and three distinct methodologies are implemented.
The crucial importance of this issue with respect to both inert and reactive high delity
numerical simulations is unambiguously assessed. The in
uence of residual sub-grid scale
scalar
uctuations on the ltered chemical reaction rate is taken into account within the Lagrangian
PDF framework. The corresponding PDF model makes use of a Monte Carlo technique:
Stochastic Dierential Equations (SDE) equivalent to the Fokker-Planck equations
are solved for the progress variable of chemical reactions. With the objective of performing
LES of turbulent reactive
ows in complex geometries, the use of distributed computing is
mandatory, and the retained domain decomposition algorithm displays very satisfactory levels
of speed-up and eficiency. Finally, the capabilities of the resulting computational model
are illustrated on two distinct experimental test cases: the rst is a two-dimensional highly
turbulent premixed
ame established between two streams of fresh reactants and hot burnt
gases which is stabilized in a square cross section channel
ow. The second is an unconned
high velocity turbulent jet of premixed reactants stabilized by a large co-
owing stream of
burned products.
Doutor em Engenharia Mecânica O presente trabalho foi dedicado ao desenvolvimento e implementação de uma plataforma
computacional destinada a simulações numéricas de escoamentos turbulentos reativos a baixo
numero de Mach. O algoritmo desenvolvido para a solução de transporte é baseado em
um método de projeção totalmente implícito. Uma restrição fisicamente consistente é imposta
sobre o campo de correção de pressão para garantir que o campo de velocidade seja
corretamente resolvido. A plataforma numérica foi extensivamente verificada utilizando o
Método das Soluções Manufaturadas tanto para escoamentos incompressíveis quanto para
escoamentos com variação de massa especifica. Dois modelos de turbulência diferentes foram
implementados para representar as tensões submalha: o modelo Smagorinsky clássico e os
modelo dinâmico. A imposição de condições de contorno turbulentas e realistas na entrada
do domínio computacional é estudada em detalhes no presente trabalho. Três metodologias
distintas foram implementadas e seus efeitos são analisados tanto para escoamentos inertes
quanto reativos. Uma formulação hibrida de Simulação de Grandes Escalas/ Função Densidade
de Probabilidade Transportada (LES-PDF) foi adotada. A inuência das utuações
da escala submalha do escalar reativo na taxa de reação química filtrada é levada em conta
no contexto da PDF Lagrangiana. O modelo de PDF correspondente faz uso da técnica de
Monte Carlo: Equações diferenciais estocásticas (SDE), equivalentes às equações de Fokker-
Planck são resolvidas para determinar o progresso das reações químicas. Com o objetivo de
realizar simulações de grandes escalas de escoamentos turbulentos reativos, o uso de computação distribuída é inevitável. Neste trabalho, um algoritmo de decomposição de domínio
foi utilizado e exibiu níveis satisfatórios de speed-up e eficiência. Finalmente, as capacidades
do modelo computacional foram ilustrados na simulação de dois casos-teste experimentais
distintos: O primeiro é uma chama altamente turbulenta reativa pre-misturada estabilizada
entre duas correntes de uido de alta velocidade de gases frescos e gases quentes queimados.
O segundo é um jato turbulento n~ao confinado de alta velocidade de reagentes pre-misturados
estabilizados por um escoamento auxiliar em torno do jato principal de gases queimados.
Keywords: Combustão Turbulenta Pre-misturada, Simulação das Grandes Escalas, Escoamentos
a Baixo Número de Mach com Massa Específica Variável.