Finite-rate combustion models for Large Eddy Simulation of non-premixed combustion; an a priori DNS analysis

Turbulence and chemistry interaction (TCI) is still an open problem in the combustion science. Models are needed to account for the unclosed chemistry source terms when the averaged or filtered Navier-Stokes governing equations are solved for chemical species in reactive flows. Finite-rate (FR) combustion models attempting to model the low-pass filtered production/consumption rates (in the case of Large Eddy Simulation or LES) directly. The Eddy Dissipation Concept (EDC) and Scale Similarity (SS) models are two types of FR combustion models for LES. The aim of the study is to assess and improve the performance of the two mentioned models using Direct Numerical Simulation (DNS) databases. In DNS all flow and chemistry scales are resolved and no TCI modeling is required. The DNS databases of reactive flows with relatively detailed chemistry, which are now available thanks to massively large parallel computational tools and codes, can be utilized to both gain fundamental insights on the turbulent reactive flows and directly assess TCI models. The assessment can be through a priori and a posterior DNS analyses. In the current work, fundamental analyses are carried out, using DNS databases of non-premixed jet flames, on the spectral behavior (velocity and dissipation of kinetic energy spectra) and the internal intermittency phenomenon in this type of flames. The physical findings are applied to develop new FR combustion models for LES. In particular, Eddy Dissipation Concept (EDC) is improved by the modifications on the coefficients and the intermittency factor of the model. The modification on the coefficients follows a theoretical basis in which the new findings on spectral behavior have been applied to reduce the degree of freedom of the model by relating the two free coefficients of the model. On the other hand, the modification in the intermittency factor of EDC is the direct application of the observations in the scaling of dissipation fluctuations. The new EDC models are then a priori assessed using the DNS databases. Besides, the existing Scale Similarity (SS) models for LES are a priori assessed using the DNS databases and new dynamic SS models are developed based on Germano's identity for LES and further assessed using the a priori DNS analysis.

L’interazione tra cinetica e turbolenza (Turbulence-Chemistry Interaction, TCI) rappresenta ancora oggi un problema aperto nel mondo della combustione. In particolare, quando le equazioni di trasporto che governano l’evoluzione di flussi reattivi turbolenti sono mediate secondo un approccio RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) oppure filtrate secondo un approccio LES (Large Eddy Simulation), si rendono necessari la formulazione e l’utilizzo di opportuni modelli di chiusura per i termini reattivi. Nei casi LES, i modelli di tipo Finite-Rate (FR) cercano di modellare direttamente le velocità di formazione delle specie filtrate. Due modelli di tipo FR particolarmente utilizzati nell’ambito della combustione turbolenta sono il modello Eddy Dissipation Concept (EDC) e i modelli basati sul concetto di Scale-Similarity (SS). L'obiettivo principale del presente lavoro di Tesi è quello di valutare e migliorare le prestazioni dei due modelli citati utilizzando dei dati ottenuti attraverso delle DNS (Direct Numerical Simulations). Nella DNS vengono risolte tutte le scale del campo di moto e non è richiesto pertanto l’utilizzo di alcun modello di chiusura. I database DNS di flussi reattivi con chimica relativamente dettagliata (decine di specie) sono oggi disponibili grazie alle potenze di calcolo sempre maggiori e possono essere utilizzati sia per ottenere informazioni fondamentali sui flussi reattivi turbolenti e dunque per valutare direttamente i modelli di chiusura TCI. La valutazione può essere effettuata mediante analisi DNS a priori e a posteriori. Nel presente lavoro, sono state in particolare condotte delle analisi sistematiche sulla base di database DNS di fiamme a getto non premiscelate, focalizzate sul comportamento spettrale (velocità e dissipazione degli spettri di energia cinetica) e sui fenomeni di intermittenza all’interno in questo tipo di fiamme. I risultati ottenuti sono stati applicati per sviluppare nuovi modelli di combustione FR per LES. In particolare, il modello EDC è stato migliorato attraverso una nuova formulazione basata su modifiche ai coefficienti e al fattore di intermittenza del modello stesso. La modifica dei coefficienti ha seguito un approccio teorico in cui sono stati applicati i risultati e le osservazioni derivanti dall’analisi dei dati DNS. In maniera analoga, la modifica del fattore di intermittenza dell'EDC è il risultato diretto dell'applicazione delle osservazioni sulle fluttuazioni della dissipazione.