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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Modelagem matemática de escoamentos reativos turbulentos utilizando uma metodologia hibrida LES/PDF
Other Titles: Mathematical and numerical modeling of turbulent reactive ows using a hybrid LES / PDF methodology
metadata.dc.creator: Vedovoto, João Marcelo
metadata.dc.contributor.advisor1: Silveira Neto, Aristeu da
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Silva, Luís Fernando Figueira da
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Mura, Arnaud
metadata.dc.contributor.referee1: Souza, Francisco José de
metadata.dc.contributor.referee2: Rade, Domingos Alves
metadata.dc.contributor.referee3: Reveillon, Julien
metadata.dc.contributor.referee4: Haldenwang, Pierre
metadata.dc.description.resumo: 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.
Abstract: 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.
Keywords: Combustão turbulenta pré-misturada
Simulação das grandes escalas
Escoamentos a baixo número de Mach com massa específica variável
Turbulent premixed combustion
Large eddy simulation
Low-mach number variable density flows
Escoamento turbulento
Modelos matemáticos
Simulação (Computadores)
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: 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.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14704
Issue Date: 18-Nov-2011
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