Numerical simulation of laminar reacting flows

Abstract

oz KARGAŞASIZ REAKSİYONLU AKIŞLARIN SAYISAL BENZETİŞİMİ Tarhan, Tanıl Doktora, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Nevin Selçuk Eylül 2004, 198 sayfa Çok bileşenli reaksiyonlu akışların sayısal benzetişimi için detaylı taşınım ve termodinamik modelleri kullanarak çizgiler yöntemi yaklaşımına dayalı yeni seri ve paralel hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kodlan geliştirilmiştir. Kodlar, üzerinde deneysel çalışma yapılmış olan kapalı, simetrik, kargaşasız, ortak akışlı metan/hava yayılım alevinin öngörülmesinde denenmiştir. Metan-hava yanmasının modellenmesi için sonsuz hızlı alev levhası modeli ile bir, iki adımlı ve beş ve on adımlı indirgenmiş reaksiyon mekanizmaları kullanılmıştır. Alevin zamanla yayılması esnasında ortaya çıkan osilasyonlan gidermek için ikinci dereceden, yüksek çözünürlü, toplam değişimi azaltan (TVD) bir yöntem önerilmiştir. Sonsuz ve sonlu hızlı reaksiyon modelleri ile elde edilen yatışkın durumdaki hız, sıcaklık ve bileşen profillerinin doğruluğu, deneysel veri ve başka sayısal çözümlerle karşılaştırılarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçların ölçüm ve sayısal sonuçlar ile çok iyi bir uyum içerisinde olduğu tespit edilmiştir. Önerilen fark yöntemi gerçekçi olmayan osilasyonlan gidererek doğru sonuçlar üretmiş olup, yöntemin vidüzgün olmayan ağ dağılımlarının uygulandığı zorlu akış taşınım problemlerinde başarılı sonuçlar vereceği belirlenmiştir. Geliştirilen kodun aym zamanda zamana bağlı yanma sistemlerinin öngörülmesi ve anlaşılmasında yararlı bir araç olacağı saptanmıştır. Bu çalışma, karmaşık reaksiyonlar içeren, zamana bağlı, kargaşalı, çok boyutlu yanma problemlerini doğrudan sayısal benzetişim tekniği (DNS) ile çözebilecek bir yöntemin geliştirilmesi için atılan ilk adımlan oluşturmaktadır. Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Çizgiler Yöntemi, Paralel Hesaplama, Kargaşasız Yayılım Alevleri, Yüksek Çözünürlü Yöntem vıı

ABSTRACT NUMERICAL SIMULATION OF LAMINAR REACTING FLOWS Tarhan, Tanil Ph.D., Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Nevin Selçuk September 2004, 198 pages Novel sequential and parallel computational fluid dynamic (CFD) codes based on method of lines (MOL) approach were developed for the numerical simulation of multi-component reacting flows using detailed transport and thermodynamic models. Both codes were applied to the prediction of a confined axisymmetric laminar co- flowing methane-air diffusion flame for which experimental data were available in the literature. Flame-sheet model for infinite-rate chemistry and one-, two-, and five- and ten-step reduced finite-rate reaction mechanisms were employed for methane-air combustion sub-model. A second-order high-resolution total variation diminishing (TVD) scheme based on Lagrange interpolation polynomial was proposed in order to alleviate spurious oscillations encountered in time evolution of flame propagation. Steady-state velocity, temperature and species profiles obtained by using infinite- and finite-rate chemistry models were validated against experimental data and other numerical solutions. They were found to be in reasonably good agreement with measurements and numerical results. The proposed difference scheme produced ivaccurate results without spurious oscillations and numerical diffusion encountered in the classical schemes and hence was found to be a successful scheme applicable to strongly convective flow problems with non-uniform grid resolution. The code was also found to be an efficient tool for the prediction and understanding of transient combustion systems. This study constitutes the initial steps in the development of an efficient numerical scheme for direct numerical simulation (DNS) of unsteady, turbulent, multi-dimensional combustion with complex chemistry. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Method of Lines, Parallel Computing, Laminar Diffusion Flames, High-Resolution Schemes