Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/549
Title: Numerische Simulation turbulenter reaktiver Strömungen mittels PDF-Transportgleichung unter Einbindung von Grafikprozessoren und adaptiver Tabellierung chemischer Reaktionen
Other Titles: Numeric simulation of turbulent reactive flows using the transported-pdf approach with integration of graphic processing units and adaptive tabulation of chemical reactions
Authors: Ulmer, Christoph Sebastian 
Language: de
Subject (DDC): Ingenieurwissenschaften
Subject: CFD
Numerische Strömungssimulation
Adaptive Tabellierung
Künstliches Neuronales Netz
Artificial Neural Network
Cluster-Analyse
Approximation
Issue Date: 2015
Publisher: Universitätsbibliothek der HSU/UniBwH
Document Type: Thesis
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
Numerische Löser für turbulente reaktive Strömungen auf Basis einer Lagrange’n Formulierung der PDF-Transportgleichung weisen eine überlegene Beschreibung der Turbulenz-Chemie-Interaktion auf, benötigen aber aktuell noch eine zu lange Berechnungszeit für eine routinemäßige Anwendung auf ingenieurmäßige Fragestellungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Beitrag geleistet, diese Berechnungszeit zu verkürzen. Zur Beschleunigung des Lösungsvorganges werden zwei sich ergänzende Methoden entwickelt. Zur Beschleunigung des Lösungsvorganges werden zwei sich ergänzende Methoden entwickelt. Zunächst wird die Berechnungszeit der chemischen Reaktion zu verkürzt, wobei die Berechnungsvorschrift nicht verändert wird. Hierfür werden die Gleichungen der chemischen Reaktionskinetik in Programme für normale CPUs und für Grafikprozessoren (GPU) erstellt und optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zur reinen CPU basierten Berechnung eine Beschleunigung der Berechnung der chemischen Reaktionskinetik auf Grafikprozessoren um bis zum Faktor 5 und mehr möglich ist. Für den Reaktionsmechanismus GRI-MECH 3.0 [71] konnte eine Beschleunigung um den Faktor 2 erzielt werden. Allerdings muss der Berechnungsablauf an die Bedürfnisse der Grafikprozessoren angepasst werden, da eine einfache Übertragung der Implementierung zu keinen Geschwindigkeitsvorteilen führt. Ergänzend wird eine Tabellierungs- und Approximationsmethode als weitere Methode zur Verkürzung der Berechnungszeit der chemischen Reaktion erstellt. Die Methode basiert auf der Gruppierung ähnlicher Reaktionen durch das k-mean Clusterverfahren und ermöglicht die effiziente Approximation von unbekannten Reaktionen basierend auf bereits gespeicherten Daten. Die Methode wird „k-mean basierte adaptive Tabellierung“ (KAT) genannt. Bei der Approximation von chemischen Reaktionen kann gezeigt werden, dass über eine vorgegebene Toleranz der Fehler in der Approximation kontrolliert werden kann. Verschiedene Methoden der Approximation werden implementiert und anhand von numerischen Experimenten miteinander verglichen. Hierbei werden unter anderem Approximationsmethoden auf Basis von künstlichen neuronalen Netzen untersucht. Es zeigt sich, dass eine konstante Approximation, das heißt eine einfache Übertragung der Speziesänderung einer Reaktion auf eine andere Reaktion, zum geringsten Fehler und gleichzeitig zur höchsten Geschwindigkeit führt. Mit Hilfe der KAT kann für einen paarweise gemischten Rührreaktor (Pairwise Mixed Stirred Reaktor), mit den von Pope [60] angegebenen Parametern, eine Beschleunigung der Reaktionsberechnung um den Faktor 500 erzielt werden. Weiter wird das Tabellierungsverfahren in einem hybriden PDF/RANS Löser implementiert und zur Simulation von zwei turbulenten Flammen mit dem GRI-MECH 3.0 Reaktionsmechanismus und dem KAT Verfahren eingesetzt. Die KAT ermöglicht im Zusammenhang mit dem hybriden PDF/RANS Löser eine Beschleunigung des Berechnungsvorganges bei identischer Ergebnisqualität um den Faktor 3,5. Eine der Flammen ist eine turbulente Freistrahlflamme (Sandia Flamme D) [4], die andere Flamme ist eine teilvorgemischte Drallflamme [53]. Für das Modell der Freistrahlflamme zeigt sich eine Gitter unabhängige und Partikelanzahl unabhängige sehr gute qualitative und quantitative Übereinstimmung von Werten der Simulation mit den Messwerten sowohl in den Mittelwerten von Hauptspezies, der Temperatur und den Mittelwerten der Minoritätenspezies sowie auch der Schwankungsgröße der Temperatur. Auf den Erfahrungen der Freistrahlflamme aufbauend, wird eine teilvorgemische Drallflamme mit dem hybriden PDF/RANS-Löser simuliert. Auch hier wird die KAT verwendet, um die Berechnung zu beschleunigen. Bei diesem Modell wird eine befriedigende Übereinstimmung zwischen Messwerten und berechneten Werten festgestellt. Quantitativ treten größere Abweichungen auf als bei dem Modell der turbulenten Freistrahlflamme. Diese können auf die getroffenen Modellannahmen, so wie eine nicht ausreichend gute Abbildung der Turbulenz durch das k-e-Turbulenzmodell, zurückgeführt werden. In nachfolgenden Arbeiten sollte daher diese Flamme in Verbindung beispielsweise einem Reynolds-Stress-Turbulenzmodell erneut untersucht werden. Qualitativ kann auch dieses Modell die Messwerte sehr gut wiedergeben. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit ein hybrider RANS/PDF-Löser entstanden, der verschiedene neue Methoden zur deutlichen Verkürzung der Rechenzeit benutzt und gleichzeitig qualitativ hochwertige Simulationen von turbulenten reaktiven Strömungen ermöglicht.
Organization Units (connected with the publication): Strömungsmaschinen in der Energietechnik 
DOI: https://doi.org/10.24405/549
URL: http://edoc.sub.uni-hamburg.de/hsu/volltexte/2015/3096/
Advisor: Joos, Franz 
Referee: Pfitzner, Michael
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2014-12-19
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