A general purpose large-eddy simulation/probability density function simulator on block structured grids

Bu doktora tezinde, türbülanslı alevlerin sayısal modellenmesi için genel amaçlı büyük çalkantı simülasyonu (Large Eddy Simulation-LES)/olasılık yoğunluk fonksiyonu (Probability Density Function-PDF) simülatörü geliştirilmiştir. LES/PDF çözücüsü hibrit bir çözüm yöntemidir. Bu yöntemde, filtre edilmiş kütle ve momentum korunumu denklemlerinin çözümü için sonlu hacimler yöntemini (LES çözücüsü) kullanılmıştır. Türbülans-yanma etkileşimleri kimyasal bileşenlerin birleşik olasılık yoğunluk fonksiyonu yöntemiyle modellenmiş ve model denklemlerinin sayısal çözümü için Lagrangian Monte Carlo tabanlı bir partikül algoritması (PDF çözücüsü) kullanılmıştır. LES ve PDF çözücülerinin her ikisi de açık kaynaklı OpenFOAM yazılım paketi içerisinde geliştirilmiş ve pakete tümüyle entegre edilmiştir. Detaylı kimyasal yanma hesaplamalarının etkin bir şekilde yapılabilmesi için tablolama (the in situ adaptive tabulation (ISAT)) metodu yeni LES/PDF çözücüsü ile birleştirilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen hibrit yöntem yapısal olmayan çözüm ağları esas alınarak geliştirilmiş ama bütün hesaplamalar blok-yapılı (block-structured) çözüm ağlarında yapılmıştır. Sayısal yöntem yapısal olmayan çözüm ağlarına kolaylıkla adapte edilebilir formdadır. Zhang ve Haworth (2004) tarafından geliştirilen üç aşamalı hız düzeltme algoritması mevcut LES/PDF yöntemine eklenmiş ve performansı gerçekçi türbülanslı alevlere uygulanarak gösterilmiştir. Yeni LES/PDF çözücüsü ayrıca geleneksel alt bölgeye ayırma (domain decomposition) yöntemi kullanılarak paralelleştirilmiştir. LES ve PDF çözücüleri arasındaki tutarlılık Wang ve Pope (2011) tarafından geliştirilen tek-yönlü birleştirme yöntemi kullanılarak test edilmiştir. Mevcut LES ve PDF çözücülerinin sayısal çözüm seviyesinde çok tutarlı sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Bu LES ve PDF çözücülerinin doğru olarak birleştirildiklerine delalet etmektedir. Daha sonrasında ise, üç aşamalı hız düzeltme algoritmasının her bir aşaması, LES ve PDF çözücülerinin tutarlılıkları üzerindeki etkilerini belirlemek ve hesaplama maliyetini tespit etmek için incelenmiştir. Düzeltme metodu sayısal çözüm seviyesinde tutarlılığın sağlanması açısından çok faydalı bulunmuştur. İlk iki aşama basit türbülans alevleri için yeterli olmakla birlikte özellikle geri çevrimli ve karmaşık yapılı akış durumlarında üçüncü aşama düzeltmeye ihtiyaç duyulduğu tespit edilmiştir. Daha sonrasında ise, yeni hibrit LES/PDF çözücüsü bir detaylı kimyasal kinetik model kullanılarak pilotlu bir jet difüzyon türbülanslı alevine (Sandia Flame-D) uygulanmıştır. Metan/hava yanması indirgenmiş bir kimyasal mekanizma (ARM1) ile temsil edilmiştir. Sonuçların deneysel veriler ve daha önceki LES/PDF simülasyon sonuçları ile çok uyumlu oldukları gösterilmiştir. Son olarak, yeni LES/PDF çözücüsü Cambridge seyrekleştirilmiş alev serisindeki ön-karışımlı türbülanslı bir aleve uygulanmıştır. Sonuçların deneysel sonuçlar ile makul seviyede uyumlu oldukları görülmüştür.