A numerical study of the influence of radiation on turbulence in a 2D axisymmetric turbulent flame

Abstract

This paper presents a study of the influence of thermal radiation on turbulence in the simulation of a turbulent, non-premixed methane- air flame. In such a problem, two aspects need to be considered for a precise evaluation of the thermal radiation: the turbulence-radiation interactions (TRI), and the radiative properties of the participating species, which are treated here with the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model based on recently obtained correlations from HITEMP2010 database. The chemical reactions rates were considered as the minimum values between the Arrhenius and Eddy Break-Up rates. A twostep global reaction mechanism was employed, while the turbulence modeling was considered via standard k–ε model. The source terms of the energy equation consisted of the heat generated in the chemical reaction rates as well as in the radiation exchanges. The discrete ordinates method (DOM) was employed to solve the radiative transfer equation (RTE), including the TRI. Comparisons of simulations with/without radiation demonstrated that radiation influenced turbulent-properties (root mean square of velocity and temperature fluctuations, and turbulent kinetic energy of the velocity fluctuations). Radiation smoothed turbulent-properties fields. The influence of radiation was more important on the temperature fluctuations than on the velocity fluctuations.

Este artigo apresenta um estudo da influência da radiação térmica sobre a turbulência através da simulação de uma chama turbulenta, não pré-misturada, de metano-ar. Neste problema dois aspectos precisam ser considerados para uma avaliação precisa da radiação térmica: interações turbulência-radiação (TRI) e as propriedades radiativas das espécies participantes, as quais são tratadas aqui com o modelo da soma ponderada de gases cinza (WSGG) baseado em correlações recentemente obtidas a partir do banco de dados espectrais HITEMP2010. As taxas das reações químicas foram consideradas como os menores valores entre as taxas de Arrhenius e de Eddy Break-Up. Um mecanismo de reação global de duas etapas foi empregado, enquanto a modelagem da turbulência foi considerada através do modelo k-ε padrão. Os termos fontes da equação da energia consistiram no calor gerado pelas reações químicas assim como pelas trocas radiantes. O método de ordenadas discretas (DOM) foi empregado para resolver a equação de transferência radiativa (RTE), incluindo as TRI. Comparações de resultados das simulações com e sem radiação térmica demonstraram que a radiação influenciou as propriedades turbulentas avaliadas (raiz média quadrática das flutuações de velocidade e de temperatura, e energia cinética turbulenta das flutuações de velocidade). A radiação suavizou os campos de propriedades turbulentas. A influência da radiação foi mais importante sobre as flutuações de temperatura do que nas flutuações de velocidade.