MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798288815553
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32200932
■035    ▼a(MiAaPQ)Stanfordcg360dx4750
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a540
■1001  ▼aBonanni,  Matthew  Renato.
■24510▼aMultiscale  Modeling  of  High-Speed  Propulsion  Systems
■260    ▼a[Sl]▼bStanford  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a151  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-02,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Ihme,  Matthias.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Stanford  University,  2025.
■520    ▼aHigh-speed  propulsion  systems  such  as  scramjet  engines  and  rotating  detonation  engines  are  characterized  by  a  complex  interaction  of  hydrodynamic,  thermal,  and  chemical  behavior.  Effects  of  compressibility,  turbulence,  heat  transfer,  molecular  transport,  and  finite-rate  chemical  kinetics  collectively  govern  the  system-level  behavior  and  performance  of  a  device.  High-fidelity  large-eddy  simulations  with  detailed  combustion  modeling  offer  a  rigorous,  first-principles  approach  to  simulating  these  systems.  These  simulations  can  elucidate  low-level  behavior  in  a  manner  complementary  to  experiments  due  to  the  absence  of  real-world  measurement  constraints,  making  them  a  critical  tool  for  developing  physical  understanding.  However,  the  computational  cost  of  these  simulations  renders  them  impractical  for  use  in  parametric  studies  requiring  large  ensembles  of  simulations.  In  this  dissertation,  this  challenge  is  discussed  and  addressed  in  two  ways:  adaptive  combustion  modeling  techniques  are  developed  to  reduce  the  cost  of  high-fidelity  simulations,  and  these  simulations  are  used  to  extract  insights  into  system-level  behavior  which,  in  turn,  are  used  to  formulate  novel  low-order  models.  First,  large-eddy  simulations  of  a  laboratory-scale  cavity-stabilized  scramjet  combustor  are  performed,  successfully  reproducing  the  behavior  of  the  corresponding  experiment.  Lagrangian  tracer  particles  are  injected  into  the  flow  via  the  fuel  injectors  and  used  for  a  novel  analysis  of  the  probability  distribution  of  the  residence  time  of  fuel-originated  mass  in  the  cavity  flameholder.  This  distribution  is  shown  to  be  skewed,  with  some  particles  recirculating  many  times  before  exiting  the  cavity.  Then,  a  probabilistic  model  is  developed  based  on  two  stochastic  processes  representing  the  turbulent  transport  within  the  cavity  and  within  the  shear  layer  above  the  cavity,  respectively.  Using  a  first-principles  approach,  the  parameters  of  this  model  are  related  to  physical  parameters  of  the  flow,  and  the  residence  time  distribution  predicted  by  the  model  reproduces  that  observed  in  the  simulation.  Based  on  this,  a  low-order  model  for  the  cavity  flameholder  is  formulated  and  used  to  carry  out  a  parametric  study,  demonstrating  that  combustion  stability  in  the  flameholder  depends  not  only  on  the  mean  residence  time  but  also  on  the  shape  of  the  distribution.  Second,  motivated  by  the  computational  expense  of  the  large-eddy  simulation,  the  Pareto  efficient  combustion  framework  is  extended  to  achieve  combustion  model  adaptation  in  the  scramjet  simulation.  This  framework  dynamically  decomposes  the  computational  domain  into  regions  assigned  to  each  submodel  from  a  set  of  combustion  submodels.  The  application  to  supersonic  combustion  is  accomplished  via  novel  extensions  of  the  drift  term  error  heuristic  to  include  error  associated  with  the  projection  operation  in  thermochemical  state  conversion  between  submodels,  as  well  as  an  extension  of  the  Process  of  Interest  formulation  to  measure  the  predictive  error  of  chemical  enthalpy.  Additionally,  a  novel  quasi-global  domain  decomposition  algorithm  is  introduced  which  combines  the  benefits  of  the  existing  local  and  global  algorithms.  This  extended  framework  enables  accurate  prediction  of  key  quantities  of  interest  such  as  the  integrated  heat  release  and  the  wall  heat  flux  while  detailed  chemical  kinetic  modeling  is  used  for  only  a  small  fraction  of  the  computational  domain,  thereby  reducing  the  overall  simulation  cost  by  approximately  half.  Finally,  a  high-fidelity  simulation  of  a  rotating  detonation  rocket  engine  is  performed.  Via  another  novel  application  of  the  Lagrangian  tracer  particle  analysis  technique,  the  complex  three-dimensional  structure  of  the  detonations  propagating  around  the  annular  chamber  is  examined.  The  detonations  propagate  through  a  highly  inhomogeneous  medium  resulting  from  imperfect  premixing,  secondary  deflagration,  and  vitiation  by  equilibrium  combustion  products.  This  inhomogeneous  medium  is  shown  to  distort  the  detonation,  and  using  a  novel  low-order  model,  it  is  demonstrated  that  this  distortion  arises  from  modulation  of  the  local  detonation  speed.  The  distorted  detonation  has  a  normal  shock  strength  which  varies  substantially  across  its  surface,  and  the  distortions  lead  to  the  establishment  of  a  recirculation  zone  which  transports  combustion  products  to  the  base  of  the  chamber,  contributing  to  the  inhomogeneities  ahead  of  the  next  passing  wave.  Therefore,  a  causal  coupling  between  the  inhomogeneous  upstream  state  and  the  detonation  has  been  established,  yielding  novel  insights  into  the  mixing  and  combustion  processes  in  this  configuration.  By  reducing  the  computational  cost  of  high-fidelity  simulations,  unveiling  new  insights  into  the  behavior  underlying  mixing  and  combustion  in  scramjets  and  rotating  detonations,  and  developing  cost-efficient  low-order  models,  this  work  establishes  a  framework  for  accelerated  development  of  advanced  high-speed  propulsion  systems.
■590    ▼aSchool  code:  0212.
■650  4▼aChemistry
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■690    ▼a0791
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■71020▼aStanford  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-02B.
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■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359199▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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