Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF
Ano de defesa: | 2011 |
---|---|
Autor(a) principal: | |
Orientador(a): | |
Banca de defesa: | , , , |
Tipo de documento: | Tese |
Tipo de acesso: | Acesso aberto |
Idioma: | por |
Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Uberlândia
|
Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
|
Departamento: |
Engenharias
|
País: |
BR
|
Palavras-chave em Português: | |
Palavras-chave em Inglês: | |
Área do conhecimento CNPq: | |
Link de acesso: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14704 |
Resumo: | 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. |
id |
UFU_37891b27344b7072de00bd389394946e |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufu.br:123456789/14704 |
network_acronym_str |
UFU |
network_name_str |
Repositório Institucional da UFU |
repository_id_str |
|
spelling |
2016-06-22T18:39:32Z2012-04-022016-06-22T18:39:32Z2011-11-18VEDOVOTO, 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.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14704The 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.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.Doutor em Engenharia Mecânicaapplication/pdfporUniversidade Federal de UberlândiaPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaUFUBREngenhariasCombustão turbulenta pré-misturadaSimulação das grandes escalasEscoamentos a baixo número de Mach com massa específica variávelEscoamento turbulentoModelos matemáticosSimulação (Computadores)Turbulent premixed combustionLarge eddy simulationLow-mach number variable density flowsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAModelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDFMathematical and numerical modeling of turbulent reactive ows using a hybrid LES / PDF methodologyinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisSilva, Luís Fernando Figueira dahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4787107Y3Mura, ArnaudSilveira Neto, Aristeu dahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781876D5&dataRevisao=nullSouza, Francisco José dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4703183Y4Rade, Domingos Alveshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781681T7Reveillon, JulienHaldenwang, Pierrehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4779971Y0Vedovoto, João Marceloinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFUTHUMBNAILt.pdf.jpgt.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1263https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/3/t.pdf.jpgd667ba625b96317bd8c9a8c746756b75MD53ORIGINALt.pdfapplication/pdf9428463https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/1/t.pdfea82c5615713c569089ba94a8c096c45MD51TEXTt.pdf.txtt.pdf.txtExtracted texttext/plain382230https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/2/t.pdf.txtaac98808f0d26c690d6340965f426db5MD52123456789/147042016-06-23 03:56:10.436oai:repositorio.ufu.br:123456789/14704Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2016-06-23T06:56:10Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
dc.title.por.fl_str_mv |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv |
Mathematical and numerical modeling of turbulent reactive ows using a hybrid LES / PDF methodology |
title |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
spellingShingle |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF Vedovoto, João Marcelo Combustão turbulenta pré-misturada Simulação das grandes escalas Escoamentos a baixo número de Mach com massa específica variável Escoamento turbulento Modelos matemáticos Simulação (Computadores) Turbulent premixed combustion Large eddy simulation Low-mach number variable density flows CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
title_short |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
title_full |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
title_fullStr |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
title_full_unstemmed |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
title_sort |
Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF |
author |
Vedovoto, João Marcelo |
author_facet |
Vedovoto, João Marcelo |
author_role |
author |
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv |
Silva, Luís Fernando Figueira da |
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv |
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4787107Y3 |
dc.contributor.advisor-co2.fl_str_mv |
Mura, Arnaud |
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Silveira Neto, Aristeu da |
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv |
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781876D5&dataRevisao=null |
dc.contributor.referee1.fl_str_mv |
Souza, Francisco José de |
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv |
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4703183Y4 |
dc.contributor.referee2.fl_str_mv |
Rade, Domingos Alves |
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv |
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781681T7 |
dc.contributor.referee3.fl_str_mv |
Reveillon, Julien |
dc.contributor.referee4.fl_str_mv |
Haldenwang, Pierre |
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv |
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4779971Y0 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Vedovoto, João Marcelo |
contributor_str_mv |
Silva, Luís Fernando Figueira da Mura, Arnaud Silveira Neto, Aristeu da Souza, Francisco José de Rade, Domingos Alves Reveillon, Julien Haldenwang, Pierre |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Combustão turbulenta pré-misturada Simulação das grandes escalas Escoamentos a baixo número de Mach com massa específica variável Escoamento turbulento Modelos matemáticos Simulação (Computadores) |
topic |
Combustão turbulenta pré-misturada Simulação das grandes escalas Escoamentos a baixo número de Mach com massa específica variável Escoamento turbulento Modelos matemáticos Simulação (Computadores) Turbulent premixed combustion Large eddy simulation Low-mach number variable density flows CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
dc.subject.eng.fl_str_mv |
Turbulent premixed combustion Large eddy simulation Low-mach number variable density flows |
dc.subject.cnpq.fl_str_mv |
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
description |
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. |
publishDate |
2011 |
dc.date.issued.fl_str_mv |
2011-11-18 |
dc.date.available.fl_str_mv |
2012-04-02 2016-06-22T18:39:32Z |
dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2016-06-22T18:39:32Z |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
format |
doctoralThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.citation.fl_str_mv |
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. |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14704 |
identifier_str_mv |
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. |
url |
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14704 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Uberlândia |
dc.publisher.program.fl_str_mv |
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
dc.publisher.initials.fl_str_mv |
UFU |
dc.publisher.country.fl_str_mv |
BR |
dc.publisher.department.fl_str_mv |
Engenharias |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Uberlândia |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFU instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU) instacron:UFU |
instname_str |
Universidade Federal de Uberlândia (UFU) |
instacron_str |
UFU |
institution |
UFU |
reponame_str |
Repositório Institucional da UFU |
collection |
Repositório Institucional da UFU |
bitstream.url.fl_str_mv |
https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/3/t.pdf.jpg https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/1/t.pdf https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/14704/2/t.pdf.txt |
bitstream.checksum.fl_str_mv |
d667ba625b96317bd8c9a8c746756b75 ea82c5615713c569089ba94a8c096c45 aac98808f0d26c690d6340965f426db5 |
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 MD5 MD5 |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU) |
repository.mail.fl_str_mv |
diinf@dirbi.ufu.br |
_version_ |
1792331502097268736 |