Hydrodynamic instability and shear layer effect on the response of an acoustically excited laminar premixed flame

2015 ◽  
Vol 162 (2) ◽  
pp. 345-367 ◽  
Author(s):  
Stephan Schlimpert ◽  
Santosh Hemchandra ◽  
Matthias Meinke ◽  
Wolfgang Schröder
Keyword(s):  
Shear Layer ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Premixed Flame ◽  
Layer Effect

Hydrodynamic instability and shear layer effect on the sound emission of a turbulent jet flame

2015 ◽  
Author(s):  
Stephan Schlimpert ◽  
Seong Ryong Koh ◽  
Antje Feldhusen ◽  
Benedikt Roidl ◽  
Matthias H. Meinke ◽  
...  
Keyword(s):  
Shear Layer ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Turbulent Jet ◽  
Sound Emission ◽  
Jet Flame ◽  
Layer Effect

Numerical investigation of the role of free-stream turbulence in boundary-layer separation

2016 ◽  
Vol 801 ◽  
pp. 289-321 ◽  
Author(s):  
Wolfgang Balzer ◽  
H. F. Fasel
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Reynolds Number ◽  
Shear Layer ◽  
Free Stream ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Low Reynolds Number ◽  
Transition To Turbulence ◽  
Laminar Separation ◽  
Free Stream Turbulence ◽  
Low Reynolds

The aerodynamic performance of lifting surfaces operating at low Reynolds number conditions is impaired by laminar separation. In most cases, transition to turbulence occurs in the separated shear layer as a result of a series of strong hydrodynamic instability mechanisms. Although the understanding of these mechanisms has been significantly advanced over the past decades, key questions remain unanswered about the influence of external factors such as free-stream turbulence (FST) and others on transition and separation. The present study is driven by the need for more accurate predictions of separation and transition phenomena in ‘real world’ applications, where elevated levels of FST can play a significant role (e.g. turbomachinery). Numerical investigations have become an integral part in the effort to enhance our understanding of the intricate interactions between separation and transition. Due to the development of advanced numerical methods and the increase in the performance of supercomputers with parallel architecture, it has become feasible for low Reynolds number application ($O(10^{5})$) to carry out direct numerical simulations (DNS) such that all relevant spatial and temporal scales are resolved without the use of turbulence modelling. Because the employed high-order accurate DNS are characterized by very low levels of background noise, they lend themselves to transition research where the amplification of small disturbances, sometimes even growing from numerical round-off, can be examined in great detail. When comparing results from DNS and experiment, however, it is beneficial, if not necessary, to increase the background disturbance levels in the DNS to levels that are typical for the experiment. For the current work, a numerical model that emulates a realistic free-stream turbulent environment was adapted and implemented into an existing Navier–Stokes code based on a vorticity–velocity formulation. The role FST plays in the transition process was then investigated for a laminar separation bubble forming on a flat plate. FST was shown to cause the formation of the well-known Klebanoff mode that is represented by streamwise-elongated streaks inside the boundary layer. Increasing the FST levels led to accelerated transition, a reduction in bubble size and better agreement with the experiments. Moreover, the stage of linear disturbance growth due to the inviscid shear-layer instability was found to not be ‘bypassed’.

Large Eddy Simulation of Self-Sustained Cavity Oscillation for Subsonic and Supersonic Flows

2016 ◽  
Vol 139 (1) ◽  
Author(s):  
K. M. Nair ◽  
S. Sarkar
Keyword(s):  
Large Eddy Simulation ◽  
Shear Layer ◽  
Acoustic Waves ◽  
Large Scale ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Supersonic Flows ◽  
Large Scale Structures ◽  
Eddy Simulation ◽  
Large Eddy ◽  
Scale Structures

The primary objective is to perform a large eddy simulation (LES) using shear improved Smagorinsky model (SISM) to resolve the large-scale structures, which are primarily responsible for shear layer oscillations and acoustic loads in a cavity. The unsteady, three-dimensional (3D), compressible Navier–Stokes (N–S) equations have been solved following AUSM+-up algorithm in the finite-volume formulation for subsonic and supersonic flows, where the cavity length-to-depth ratio was 3.5 and the Reynolds number based on cavity depth was 42,000. The present LES resolves the formation of shear layer, its rollup resulting in large-scale structures apart from shock–shear layer interactions, and evolution of acoustic waves. It further indicates that hydrodynamic instability, rather than the acoustic waves, is the cause of self-sustained oscillation for subsonic flow, whereas the compressive and acoustic waves dictate the cavity oscillation, and thus the sound pressure level for supersonic flow. The present LES agrees well with the experimental data and is found to be accurate enough in resolving the shear layer growth, compressive wave structures, and radiated acoustic field.

Hydrodynamic instability and shear layer effects in turbulent premixed combustion

2016 ◽  
Vol 28 (1) ◽  
pp. 017104 ◽  
Author(s):  
S. Schlimpert ◽  
A. Feldhusen ◽  
J. H. Grimmen ◽  
B. Roidl ◽  
M. Meinke ◽  
...  
Keyword(s):  
Shear Layer ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Premixed Combustion ◽  
Turbulent Premixed Combustion ◽  
Turbulent Premixed

scholarly journals Direct numerical simulation of premixed flame boundary layer flashback in turbulent channel flow

2012 ◽  
Vol 709 ◽  
pp. 516-542 ◽  
Author(s):  
A. Gruber ◽  
J. H. Chen ◽  
D. Valiev ◽  
C. K. Law
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Boundary Layers ◽  
Channel Flow ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Leading Edge ◽  
Turbulent Channel Flow ◽  
Turbulent Boundary Layers ◽  
Premixed Flame ◽  
Flame Sheet ◽  
Near Wall

AbstractDirect numerical simulations are performed to investigate the transient upstream propagation (flashback) of premixed hydrogen–air flames in the boundary layer of a fully developed turbulent channel flow. Results show that the well-known near-wall velocity fluctuations pattern found in turbulent boundary layers triggers wrinkling of the initially flat flame sheet as it starts propagating against the main flow direction, and that the structure of the characteristic streaks of the turbulent boundary layer ultimately has an important impact on the resulting flame shape and on its propagation mechanism. It is observed that the leading edges of the upstream-propagating premixed flame are always located in the near-wall region of the channel and assume the shape of several smooth, curved bulges propagating upstream side by side in the spanwise direction and convex towards the reactant side of the flame. These leading-edge flame bulges are separated by thin regions of spiky flame cusps pointing towards the product side at the trailing edges of the flame. Analysis of the instantaneous velocity fields clearly reveals the existence, on the reactant side of the flame sheet, of backflow pockets that extend well above the wall-quenching distance. There is a strong correspondence between each of the backflow pockets and a leading edge convex flame bulge. Likewise, high-speed streaks of fast flowing fluid are found to be always colocated with the spiky flame cusps pointing towards the product side of the flame. It is suggested that the origin of the formation of the backflow pockets, along with the subsequent mutual feedback mechanism, is due to the interaction of the approaching streaky turbulent flow pattern with the Darrieus–Landau hydrodynamic instability and pressure fluctuations triggered by the flame sheet. Moreover, the presence of the backflow pockets, coupled with the associated hydrodynamic instability and pressure–flow field interaction, greatly facilitate flame propagation in turbulent boundary layers and ultimately results in high flashback velocities that increase proportionately with pressure.

scholarly journals Numerical investigation of premixed flame propagation

2015 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Γιαννακόπουλος
Keyword(s):  
Numerical Investigation ◽  
Flame Propagation ◽  
Hydrodynamic Instability ◽  
Premixed Flame

Στόχος της διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση της μετάδοσης φλόγας προανάμιξης σε μίγμα αέρα-καυσίμου που βρίσκεται σε ηρεμία και χαρακτηρίζεται από στρωτή ροή, αλλά και υπό την παρουσία τύρβης. Η μελέτη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάδοση του μετώπου της φλόγας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο στα πλαίσια της βασικής έρευνας με στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της θερμορευστομηχανικής, όσο και στα πλαίσια βιομηχανικών εφαρμογών, όπως η διάδοση φλόγας προανάμιξης σε κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή (Otto), αλλά και σε κινητήρες έναυσης με συμπίεση ομογενοποιημένου (HCCI) ή στρωματοποιημένου (SCCI) μίγματος. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε με τη μεθοδολογία της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης (DNS), δηλαδή χωρίς τη χρήση μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της ταχύτητας διάδοσης του μετώπου της φλόγας, καθώς και στην εξάρτησή της από τη διάταση (stretch) στην οποία αυτό υπόκειται λόγω της σφαιρικής γεωμετρίας, αλλά και εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με το τυρβώδες ροϊκό πεδίο. Διενεργήθηκε μεγάλος αριθμός προσομοιώσεων στρωτής φλόγας προανάμιξης με στόχο την πλήρη κατανόηση της προαναφερθείσας εξάρτησης, χρησιμοποιώντας απλοποιημένη και λεπτομερή περιγραφή των χημικών αντιδράσεων. Ακολούθησε συστηματική σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με αυτά που προέκυψαν από την εφαρμογή της ασυμπτωτικής θεωρίας για φλόγες προανάμιξης υπό διάταση, σε μεγάλο εύρος συνθηκών άκαυστου μίγματος προπανίου-αέρα (πίεση, θερμοκρασία, λόγος ισοδυναμίας). Επίσης, αναγνωρίστηκε η ισο-επιφάνεια στο εσωτερικό της φλόγας, η οποία είναι καταλληλότερη για την περιγραφή των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών της. Έχοντας κατανοήσει πλήρως την επίδραση της διάτασης στην ταχύτητα διάδοσης του στρωτού, απόλυτα σφαιρικού μετώπου της φλόγας, στη συνέχεια διενεργήθηκαν προσομοιώσεις σταδιακά αυξανόμενης πολυπλοκότητας. Στόχος αρχικά ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς της ταχύτητας και άλλων σημαντικών χαρακτηριστικών της φλόγας υπό την παρουσία φαινομένων υδροδυναμικής αστάθειας (hydrodynamic instability), τα οποία προκαλούνται λόγω της ανομοιογένειας στο ροϊκό πεδίο που επιφέρει η παρουσία εξώθερμων χημικών αντιδράσεων και η συνεπαγόμενη απότομη αύξηση της θερμοκρασίας. Αξιολογήθηκαν οι διάφοροι τρόποι έκφρασης της ταχύτητας της φλόγας και ποσοτικοποιήθηκαν οι διαφορές τους.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια πολυ-παραμετρική ανάλυση μέσω υπολογισμών μεγάλης κλίμακας, για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μετώπου της φλόγας και του τυρβώδους ροϊκού πεδίου, σε κυκλικές και σφαιρικές γεωμετρίες. Ως κάυσιμο χρησιμοποιήθηκε το αέριο σύνθεσης (syngas), τα χαρακτηρηστικά της καύσης του οποίου δεν είναι ακόμη ευρέως γνωστά. Οι μεταβαλόμενες παράμετροι ήταν η σύσταση του μίγματος (λόγος ισοδυναμίας φ, λόγος CO/H2), αλλά και τα χαρακτηριστικά του τυρβώδους ροϊκού πεδίου (ολοκληρωτική κλίμακα μήκους και ένταση τύρβης). Οι συνήκες που επιλέχθηκαν είναι όμοιες με αυτές που συναντώνται στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης. Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση του ρυθμού καύσης για αυξανόμενες τιμές έντασης της τύρβης, μέσω της δημιουργίας πτυχώσεων στην επιφάνεια της φλόγας, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ φλόγας και δινών του ροϊκού πεδίου. Ο μηχανισμός αυτός βρέθηκε να υπερισχύει των τοπικών μεταβολών στην ταχύτητα, που μπορούν να επιφέρουν οι αλλαγές στη σύσταση και στη στοιχειομετρία του μίγματος.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document