Gradient Trajectory Analysis of Reacting Turbulent Flows

In dieser Arbeit werden reagierende turbulente Strömungen mit der Dissipations Element (DE) Analyse untersucht. Dies ist eine Gradiententrajektorien basierte Methode zur Unterteilung turbulenter Felder in raumfüllende Unterregionen, in denen sich Skalare monoton verhalten. Im Kontext der Verbrennung ist diese Eigenschaft wichtig, da DEs somit lokal und eindeutig das maximale Ausmaß aufzeigen, welches eine von diffusivem Transport dominierte Struktur in einer turbulenten Strömung einnehmen kann.
Die DE-Analyse wird auf das Mischungsbruchfeld Z aus direkten numerischen Simulationen (DNS) von nicht vorgemischten Freistrahlflammen angewandt. Es wird gezeigt, dass sich die normierte DE-Parameterstatistik sowie die charakteristischen Skalierungen der jeweiligen Mittelwertgrößen nicht von innerten turbulenten Strömungen unterscheiden. Zusätzlich wird gezeigt, dass die skalare Dissipationsrate χ mit dem Gradienten der größeren lokalen Strömungstopologie, dem DE-Gradienten g, in Beziehung gesetzt werden kann. Ein DE-Parameter basiertes Regimediagramm für nicht vorgemischte Verbrennung wird eingeführt und verifiziert.
Des weiteren werden nicht-lokale Effekte in DNS von vorgemischten Freistrahlflammen untersucht. Die Selbstähnlichkeit der normierten DE-Längenverteilung bleibt bestehen, jedoch zeigt die Statistik der skalaren Differenz ∆T einen deutlichen Einfluss der Flammenstruktur. In der Flammenstrukturanalyse wird gezeigt, dass die Einführung von Extrempunkten nahe der Flammenfront zu einer signifikanten Verdickung der Vorwärm- und Reaktionszone führt. Dieser Effekt wird quantifiziert und mit der Brenngeschwindigkeit in Beziehung gesetzt. Abschließend werden diese Erkenntnisse bei der Modellierung der Verbrennung in RANS Simulationen eines Pkw-Dieselmotors angewendet.