Computational study of non-reactive swirling flow using hybrid finite-volume/particle method

Abstract

Bu çalışmada, bir küt cismin gerisindeki reaksiyon içermeyen döngülü ve türbülanslı akımın olasılık yoğunluk fonksiyonu (OYF) yöntemiyle simülasyonu yapılmış ve OYF yönteminin bu tür karmaşık akışlar için performansı araştırılmıştır. Bu çalışma döngülü yanma odalarının OYF yöntemi ile simülasyonunun yapılması amacıyla araştırma programının ilk adımıdır ve ilerde yapılacak çalışmalara temel teşkil etmektedir. OYF yönteminde, bileşik OYF evolüsyon denklemi doğrudan Navier-Stokes denklemlerinden elde edilmekte ve açık kalan terimler stokastik diferansiyel denklemler vasıtası ile modellenmektedir. Bu işlemde mevcut Reynolds stres modelleri yol gösterici olmakta ve modellenmiş OYF yönteminin ikincil moment seviyesinde Reynolds stres modelleriyle eşdeğer olması hedeflenmektedir. Modellenmiş OYF evolüsyon denklemi tutarlı sonlu-hacimler/partikül-tabanlı Monte Carlo yöntemiyle çözülmüştür. İlk olarak simülasyonların istatistiksel olarak kararlı duruma ulaştığı gösterilmiş ve simülasyon sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçların özellikle eksenel ve radyal yöndeki ortalama hız bileşenleri ve Reynolds stresler için deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu gözlenmiş ama döngü yönündeki sayısal sonuçların yeteri kadar iyi olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.

This thesis computationally examines the flow characteristics of a non-reacting swirling bluff-body turbulent flow by the velocity-turbulent frequency PDF method to show the performance of the PDF method for such flows. This is the first step in performing full PDF computations of the swirling combustors and lays foundation for future work in which reacting case will be studied. In PDF method, the transport equation for mass-weighted joint PDF is directly derived from the Navier-Stokes equations and the unclosed terms are modeled through construction of stochastic differential equations (SDEs). The closure is usually guided by existent Reynolds stress models such that the joint PDF model is equivalent to the corresponding Reynolds stress model at the second moment level. The modeled PDF evolution equation is solved using a finite-volume/particle-based Monte Carlo method. The statistical stationarity of simulations is demonstrated and the computational results are compared with the experimental data. It is found that there is a reasonably good agreement between the computational and experimental results especially for the axial mean velocity and Reynolds stresses. However the prediction of the tangential mean velocity component is found to be poor indicating that the current hybrid algorithm needs further improvements.