LES-Lagrangian particle method for turbulent reactive flows based on the approximate deconvolution model and mixing model

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
LES-Lagrangian particle method for turbulent reactive flows based on the approximate deconvolution model and mixing model
Journal of Computational Physics 294 127-148 2015

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This article may be found at https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.03.038.

Abstract

We propose a numerical method for turbulent reactive flows using a large eddy simulation (LES) based on the approximate deconvolution model (ADM). LES based on the ADM is combined with a Lagrangian notional particle (LP) method for computing reactive flows without using models for chemical source terms. In the LP method, values of scalars are assigned to each particle. The evolutions of Lagrangian particles in physical and scalar composition spaces are modeled by using the mixing model for molecular diffusion and the resolved velocity field of LES. We also propose a particles-interaction mixing model using a mixing volume concept, in which the mixing timescale is determined by relating the decay of scalar variance in the mixing volume to the scalar dissipation rate. The LES–LP method based on the ADM and the mixing model is applied to a planar jet with a second-order reaction for testing the numerical method. The statistics obtained by the LES–LP method are compared with the direct numerical simulation data. The results show that the evolutions of Lagrangian particles are well modeled in the LES–LP method by using the resolved velocity and the mixing model, and this method can accurately predict the statistical properties of reactive scalars. The mixing timescale depends on the distance among the Lagrangian particles. It is also shown that the present mixing model can implicitly take into account the effect of distance among the particles by adjusting the mixing timescale without using any model parameters.

日本語訳 (DeepL翻訳)

近似デコンボリューションモデルと混合モデルに基づく反応性乱流のLES-ラグランジュ粒子法

反応性乱流の数値計算法として、近似デコンボリューションモデル（ADM）に基づくラージ・エディ・シミュレーション（LES）を用いる方法を提案する。ADMに基づくLESをラグランジュ粒子法（LP法）と組み合わせることで、化学反応項のモデルを使用せずに反応流を計算することができる。LP 法では，各粒子にスカラー値を割り当てる．物理空間とスカラー組成空間におけるラグランジュ粒子の発展は、分子拡散の混合モデルとLESの分解速度場を用いてモデル化される。また、混合体積の概念を用いた粒子間相互作用混合モデルを提案し、混合体積におけるスカラー分散の減衰をスカラー散逸率に関連付けることにより、混合のタイムスケールを決定する。このADMと混合モデルに基づくLES-LP法を、数値計算手法の検証のために、2次反応を伴う平面噴流に適用した。LES-LP法によって得られた統計量を直接数値シミュレーションのデータと比較した。その結果、LES-LP法では、分解された速度と混合モデルを用いることにより、ラグランジュ粒子の発展がよくモデル化されており、この方法は反応性スカラーの統計的特性を正確に予測することができることが示された。また、混合のタイムスケールはラグランジュ粒子間の距離に依存することがわかった。また、本混合モデルは、モデルパラメータを用いることなく、混合タイムスケールを調整することにより、粒子間距離の影響を暗黙的に考慮できることが示された。

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