Large-eddy simulation of turbulent reacting flows for industrial applications

The traditional engineering design approach relies on the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) method, whose generality and predictive ability are usually limited considering the very different flows which can arise in industrial applications. Furthermore, when chemical reactions must also be accounted for, RANS methodology cannot easily capture the turbulence-chemistry interactions and its predictions must be interpreted with care. For this purpose, large-eddy simulation (LES) is an interesting alternative, providing valuable insight into the complex phenomenology of turbulent flows and, in particular, into the scale interactions between turbulence and chemical reactions typically occurring in reactive flow devices. Starting from a cell centered finite volume method widely adopted in industry, a formal analysis of diffusion schemes for generally polyhedral non-orthogonal meshes provides a fundamental result, on which low-dissipative projection methods can be built. In particular, a pressure correction approach well suited to large-eddy simulations is analyzed for the first time and a specific stabilization technique for colocated spaces is formally identified. This is the first time that these analysis tools are applied to industrial finite volume schemes and valuable insight is obtained from this effort, which clarifies the nature of the finite volume schemes applied in industrial codes. Successively, the same stabilized pressure correction technique is extended to the cases of compressible and reactive flows, where a non-iterative scheme is devised. This strategy is able to limit the thermodynamic drift of the solution within the tolerance bounds of the linear solver. In the limit of low Mach number and arbitrarily high Reynolds number, this variable density pressure correction method is shown to limit the artificial kinetic energy dissipation below the theoretical power law exponent provided by the eddy-damping quasi-normal Markovian (EDQNM) closure, hence allowing to identify it as a good candidate for performing large-eddy simulations of turbulent flows in realistic applications. Several large-eddy simulation cases complement this work, ranging from incompressible, to compressible and finally to reactive flows. Particular attention is also devoted to the post-processing techniques able to extract the vast amount of information provided from LES runs. Finally, the application of the proposed methods to reactive flow configurations of industrial interest is demonstrated. The detailed representation of the complex effects involved allows to classify the numerical techniques here developed as effective tools to analyze the rich phenomenology occurring in turbulent reactive flows.

La progettazione fluidodinamica generalmente utilizza la metodologia “Reynolds averaged Navier- Stokes” (RANS), la cui generalità ed efficacia predittiva sono tuttavia limitate dalla varietà delle applicazioni industriali. Inoltre, quando è necessario includere l'effetto di reazioni chimiche, la RANS non riesce a catturare facilmente le interazioni turbolenza-chimica, e per tale ragione le sue predizioni vanno interpretate con particolare attenzione. La metodologia “large-eddy simulation” (LES) fornisce un'alternativa in grado di fornire maggiori dettagli sulla complessa fenomenologia dei flussi turbolenti, e in particolare sulle interazioni tra le scale turbolente e quelle chimiche. La ricerca si basa su uno schema a volumi finiti “cell centered” di applicazione industriale, su cui viene sviluppata un'analisi di convergenza degli schemi di diffusione per griglie generalmente poliedriche e non ortogonali. A partire da tale risultato è possibile costruire dei metodi di proiezione a bassa dissipazione di energia cinetica. In particolare, un approccio “pressure correction” adatto ad applicazioni LES viene per la prima volta analizzato e una specifica tecnica di stabilizzazione per incognite pressione-velocità collocate è formalmente identificata. A tal riguardo, schemi ai volumi finiti di applicazione in codici industriali vengono per la prima volta analizzati attraverso recenti tecniche analitiche. In seguito, il metodo “pressure correction” stabilizzato viene esteso a casi comprimibili e reattivi, tramite lo sviluppo di un metodo non iterativo. Tale strategia consente di limitare l'errore sullo stato termodinamico entro la tolleranza di soluzione del sistema lineare. Nel limite di basso Mach ed a Reynolds arbitrariamente grandi, si verifica empiricamente che tale metodo “pressure correction” a densità variabile è in grado di limitare la dissipazione artificiale di energia cinetica al di sotto dell'esponente ottenuto con la chiusura “eddy-damping quasi-normal Markovian” (EDQNM). Per tale ragione, il metodo si identifica come un buon candidato alla simulazione a grandi vortici in applicazioni d'interesse industriale. Numerosi casi LES di tipo incomprimibile, comprimibile e reattivo completano tale analisi, in cui particolare attenzione è rivolta anche alle tecniche di post-processing della grande mole di dati generati. Infine, le metodologie proposte vengono applicate a casi di flussi turbolenti d'interesse industriale. Il livello di dettaglio rappresentativo dei complessi fenomeni in gioco consente di classificare i metodi numerici qui sviluppati come efficaci strumenti per l'analisi di flussi turbolenti reattivi.