Модели для описания дозвуковых течений с предварительно перемешанным турбулентным горением в каналах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Дан обзор работ по численному моделированию турбулентного горения. Обсуждаются три класса моделей, необходимых для замыкания математической модели течения (модели турбулентности, модели химической кинетики и модели взаимодействия турбулентности с горением). Описан математический подход к моделированию дозвуковых течений с предварительно перемешанным турбулентным горением в каналах в рамках уравнений Рейнольдса, замкнутых моделями турбулентности класса k - ω. Рассмотрены модели влияния турбулентности на средние скорости реакций класса PaSR (Partially Stirred Reactor – модели реактора частичного перемешивания) – квазистационарные модели PaSR и PFR, а также модель с учетом предыстории EPaSR. Предлагается новая модель для учета влияния горения на интенсивность турбулентного переноса – переменных турбулентных чисел Прандтля и Шмидта, совместимая с моделью турбулентности класса k - ω и с моделями класса PaSR. В Приложении описана дифференциальная модель для турбулентного потока скаляра, откалиброванная априорно с использованием базы данных DNS турбулентного течения Рэлея–Тейлора.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Власенко

ФАУ ЦАГИ; МФТИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский; Долгопрудный

Р. А. Балабанов

ФАУ ЦАГИ; МФТИ

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский; Долгопрудный

Вэньчао Лю

МФТИ

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Долгопрудный

С. С. Молев

ФАУ ЦАГИ

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский

В. А. Сабельников

ФАУ ЦАГИ

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский

Список литературы

  1. Соломатин Р.С. Численное моделирования процессов высокоскоростного смешения и горения в неоднородных топливо-воздушных смесях / Дисс. на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2022, 191 с.
  2. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. La Cañada: DCW Industries, 2006. 544 p.
  3. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1942. Т. 6. № 1–2. С. 56–58.
  4. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and Numerical Combustion. Flourtown: RT Edwards Inc., 2005. 522 p.
  5. Peters N. Turbulent Combustion. Cambridge: Univ. Press, 2000. 304 p.
  6. Lipatnikov A. Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion. Boca Raton: CRC Press, 2012. 548 p.
  7. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. 292 с.
  8. Kuznetsov V.R., Sabel’nikov V.A. Turbulence and Combustion. New York: Hemisphere, 1990. 384 p.
  9. Su J., Liu A., Xiao H., Luo K., Fan J. Entropy: an inspiring tool for characterizing turbulence–combustion interaction in swirling flames via direct numerical simulations of non-premixed and premixed flames // Entropy. 2023. V. 25. № 8. P. 1151.
  10. Borghi R. Turbulent combustion modeling // Progress in Energy&Combust. Sci. 1988. V. 14. № 4. P. 245–292.
  11. Klimenko A.Y., Bilger R.W. Conditional moment closure for turbulent combustion // Progress in Energy&Combust. Sci. 1999. V. 25. № 6. P. 595–687.
  12. Baurle R.A., Girimaji S.S. Assumed PDF turbulence-chemistry closure with temperature-composition correlations // Combust.&Flame. 2003. V. 134. № 1–2. P. 131–148.
  13. Зимонт В.Л., Мещеряков Е.А., Сабельников В.А. Простая модель для учета молекулярного смешения при турбулентном горении неперемешанных газов // Физика горения и взрыва. 1978. Т. 14. №. 3. С. 55–62.
  14. Molchanov A.M., Yanyshev D.S., Bykov L.V. Influence of turbulent fluctuations on non-equilibrium chemical reactions in the flow // J. of Phys.: Conf. Ser. IOP. 2017. V. 891. № 1. Art. No. 012106.
  15. Мещеряков Е.А., Сабельников В.А. Горение водорода в сверхзвуковом турбулентном потоке в канале при спутной подаче горючего и окислителя // Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17. № 2. С. 55–64.
  16. Peters N. Laminar flamelet concepts in turbulent combustion // Int. Symp. on Combustion. Elsevier, 1988. V. 21. № 1. P. 1231–1250.
  17. Zheng L.L., Bray K.N.C. The application of new combustion and turbulence models to H2-air nonpremixed supersonic combustion // Combust.&Flame. 1994. V. 99. № 2. P. 440–448.
  18. Flamelet Model Application for Non-Premixed Turbulent Combustion: NAS 1.26: 202176 / ed. by Secundov A. et al. Washington D.C.: NASA, 1996.
  19. Piffaretti S.G. Flame age model: a transient laminar flamelet approach for turbulent diffusion flames. Дисс. на соискание уч. ст. доктора физ.-мат. наук. Цюрих: Швейцарский федеральный институт технологии, 2007. 194 с.
  20. Magnussen B.F. The eddy dissipation concept: A bridge between science and technology // ECCOMAS Conf. on Comput. Combust. Lisbon, Portugal. 2005.
  21. Chomiak J., Karlsson A. Flame liftoff in diesel sprays // Int. Symp. on Combust. Elsevier. 1996. V. 26. № 2. P. 2557–2564.
  22. Sabelnikov V., Fureby C. LES combustion modeling for high Re flames using a multi-phase analogy // Combust.&Flame. 2013. V. 160. № 1. P. 83–96.
  23. Moule Y., Sabelnikov V., Mura A. Highly resolved numerical simulation of combustion in supersonic hydrogen–air coflowing jets // Combust.&Flame. 2014. V. 161. № 10. P. 2647–2668.
  24. Petrova N., Sabelnikov V., Bertier N. Numerical simulation of a backward-facing step combustor using RANS/Extended Partially Stirred Reactor model // EUCASS-2015. 17 p.
  25. Власенко В.В. Ноздрачев А.Ю., Сабельников В.А., Ширяева А.А. Анализ механизмов стабилизации турбулентного горения по данным расчетов с применением модели реактора частичного перемешивания // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. № 1. С. 43–57.
  26. Zimont V.L. Gas premixed combustion at high turbulence // Turbulent Flame Closure Combust. Model. Experim. Thermal&Fluid Sci. 2000. V. 21. № 1–3. P. 179–186.
  27. Lipatnikov A.N., Chomiak J. Turbulent flame speed and thickness: phenomenology, evaluation, and application in multi-dimensional simulations // Progr. in Energy&Combust. Sci. 2002. V. 28. № 1. P. 1–74.
  28. Августинович В.Г., Куценко Ю.Г. Создание и применение методологии комплексного расчета малоэмиссионной камеры сгорания // Изв. вузов. Авиац. техника. 2011. №. 2. С. 37-42.
  29. Щелкин К.И. К вопросу о турбулентном горении и фазах горения в двигателе // Изв. АН СССР. ОТН. 1953. № 3. С. 463–471.
  30. Раушенбах Б.В., Белый С.А., Беспалов И.В., Бородачев В.Я., Волынский М.С., Прудников А.Г. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 526 с.
  31. Chen Y.C., Mansour M.S. Investigation of flame broadening in turbulent premixed flames in the thin-reaction-zones regime // Int. Symp. on Combustion. 1998. V. 27. P. 811–818.
  32. Skiba A.W., Wabel T.M., Carter C.D., Hammack S.D., Temme J.E., Driscoll J.F. Premixed flames subjected to extreme levels of turbulence. Part I: Flame structure and a new measured regime diagram // Combust.&Flame. 2018. V. 189. P. 407–432.
  33. Wabel T.M., Skiba A.W., Driscoll J.F. Evolution of turbulence through a broadened preheat zone in a premixed piloted Bunsen flame from conditionally-averaged velocity measurements // Combust.&Flame. 2018. V. 188. P. 13–27.
  34. Ratner A., Driscoll J.F., Donbar J.M., Carter C.D., Mullin J.A. Reaction zone structure of non-premixed turbulent flames in the intensely wrinkled regime // Proc. Combust. Inst. 2000. V. 28. P. 245–252.
  35. Sabelnikov V.A., Yu R., Lipatnikov A.N. Thin reaction zones in highly turbulent medium // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 128. P. 1201–1205.
  36. Heinz S. A review of hybrid RANS-LES methods for turbulent flows: Concepts and applications // Progr. in Aerospace Sci. 2020. V. 114. P. 100–597.
  37. Nagano Y., Kim C. A two-equation model for heat transport in wall turbulent shear flows // J. of Heat Transfer. 1988. V. 110. P. 583–589.
  38. Wikström P.M., Wallin S., Johansson A.V. Derivation and investigation of a new explicit algebraic model for the passive scalar flux // Phys. of Fluids. 2000. V. 12. № 3. P. 688–702.
  39. Goldberg U. Variable turbulent Schmidt and Prandtl number modeling // Eng. App. Comp. Fluid Mech. 2010. V 4. P. 511–520.
  40. Sanders J.P.H., Gokalp I. Scalar dissipation rate modelling in variable density turbulent axisymmetric jets and diffusion flames // Phys. of Fluids. 1998. V. 10. № 4. P. 938–948.
  41. Xiao X., Hassan H.A., Baurle R.A. Modeling scramjet flows with variable turbulent Prandtl and Schmidt numbers // AIAA J. 2006. V. 45. P. 1415–1423.
  42. Burrows M.C., Kurkov A.P., An analytical and experimental study of supersonic combustion of hydrogen in vitiated air stream // AIAA J. 1973. V. 11. № 9. P. 1217–1218.
  43. Hoste J.J.O.E., Fechter S., Karl S., Hannemann K. Study of a supersonic reacting wall jet with a variable turbulent Prandtl and Schmidt number approach // Aerospace Sci.&Technol. 2020. V. 106. Art. No. 106070.
  44. Shih T., Lumley J., Janicka J. Second-order modelling of a variable-density mixing layer // J. of Fluid Mech. 1987. V. 180. P. 93–116.
  45. Danish M., Sinha S., Girimaji S. Influence of flow topology and dilatation on scalar mixing in compressible turbulence // J. of Fluid Mech. 2016. V. 793. P. 633–655.
  46. Mantel T., Borghi R., A new model of premixed wrinkled flame propagation based on a scalar dissipation equation // Combust.&Flame. 1994. V. 96. № 4. P. 443–457.
  47. Mura A., Borghi R. Towards an extended scalar dissipation equation for turbulent premixed combustion // Combust.&Flame. 2003. V. 133. № 1–2. P. 193–196.
  48. Тушканов А.С. Термически и химически неравновесные процессы в факеле маршевого двигателя твердого топлива / Дисс. на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. М.: МАИ, 2019. 167 с.
  49. ANSYS CFD. https://www.ansys.com/products/fluids#tab1-2
  50. CFD-FASTRAN. https://www.esi.com.au/software/cfd-ace/fastran
  51. Zettervall N., Fureby C. A computational study of ramjet, scramjet and dual-mode ramjet combustion in combustor with a cavity flameholder // AIAA Aerospace Sci. Meeting. AIAA paper. 2018: 1146. 14 p.
  52. Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M., Moriarty N.W., Eiteneer B., Goldenberg M., Bowman C.T., Hanson R.K., Song S., William C. Gardiner J., Lissianski V.V., Qin Z. GRI-MECH 3.0. http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/
  53. Лебедев А.В., Окунь М.В., Баранов А.Е., Деминский М.А., Потапкин Б.В. Систематическая процедура упрощения кинетических механизмов химических процессов // Химич. физика и мезоскопия. 2011. Т. 13. № 1.
  54. Smooke M.D. Reduced Kinetic Mechanisms and Asymptotic Approximations for Methane-Air Flames: A Topical Volume. Lecture Notes in Physics. Vol. 384. Berlin: Springer, 1991. 251 p.
  55. Larsson A., Zettervall N., Hurtig T., Nilsson E., Ehn A., Petersson P., Alden M., Larfeldt J., Fureby C. Skeletal methane–air reaction mechanism for large eddy simulation of turbulent microwave-assisted combustion // Energy&Fuels. 2017. V. 31. № 2. P. 1904–1926.
  56. Peters N., Rogg B. Reduced Kinetic Mechanisms for Applications in Combustion Systems. Berlin: Springer Sci.&Business Media, 1993. 362 p.
  57. Goussis D. On the construction and use of reduced chemical kinetic mechanisms produced on the basis of given algebraic relations // J. of Comput. Phys. 1996. V. 128. № 2. P. 261–273.
  58. Westbrook C.K., Dryer F.L. Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion // Progr. in Energy&Combust. Sci. 1984. V. 10. № 1. P. 1–57.
  59. Franzelli B., Riber E., Gicquel L.Y., Poinsot Т. Large eddy simulation of combustion instabilities in a lean partially premixed swirled flame // Combustion and Flame. 2012. V. 159. № 2. P. 621–637.
  60. Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. Глобальные кинетические механизмы для расчета турбулентных реагирующих течений. Ч. 1. Основной химический процесс тепловыделения // Хим. физ. 1998. Т. 7. № 9. С. 112–128.
  61. Kundu K., Penko P., Yang S. Reduced reaction mechanisms for numerical calculations in combustion of hydrocarbon fuels // 36th AIAA Aerospace Sci. Meeting&Exhibit. AIAA paper. 1998. V. 98. Art. No. 0803. 16 p.
  62. Evans J.S., Schexnayder Jr.C.J. Influence of chemical kinetics and unmixedness on burning in supersonic hydrogen flames // AIAA J. 1980. V. 18. № 2. P. 188–193.
  63. An Analytical Study of the Hydrogen-Air Reaction Mechanism with Application to Scramjet Combustion: NASA Tech. Rep. 2791 / ed. by Jachimowski C.J. Washington D.C.: NASA, 1988.
  64. Chemical Kinetic Analysis of Hydrogen-Air Ignition and Reaction Times: NASA Tech. Rep. 1856 / ed. by Rogers R.C., Schexnayder C.J. Washington D.C.: NASA, 1981.
  65. Ju Y., Niioka T. Reduced kinetic mechanism of ignition for nonpremixed hydrogen/air in a supersonic mixing layer // Combust.&Flame. 1994. V. 99. № 2. P. 240–246.
  66. Gerlinger P., Nold K., Aigner M. Investigation of hydrogen-air reaction mechanisms for supersonic combustion // 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf.&Exhibit. 2008.
  67. Shiryaeva A., Vlasenko V., Anisimov K. Development and application of numerical technology for simulation of different combustion types in high-speed viscous gas turbulent flows // 44th AIAA Fluid Dyn. Conf. Amer. Inst. of Aeron.&Astron. 2014.
  68. Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegnér J., Sabel’nikov V. Finite rate chemistry large-eddy simulation of self-ignition in supersonic combustion ramjet // AIAA J. 2010. V. 48. № 3. P. 540–550.
  69. Liu B., He G.-Q., Qin F., An J., Wang S., Shi L. Investigation of influence of detailed chemical kinetics mechanisms for hydrogen on supersonic combustion using large eddy simulation // Int. J. of Hydrogen Energy. 2019. V. 44. № 10. P. 5007–5019.
  70. Fureby C. Subgrid models, reaction mechanisms, and combustion models in large-eddy simulation of supersonic combustion// AIAA J. 2021. V. 59. № 1. P. 215–227.
  71. Third Millenium Ideal Gas and Condensed Phase Thermochemical Database for Combustion (with Update from Active Thermochemical Tables). Rep. No. ANL-05/20 / ed. by Burcat A., Ruscic B. Argonne, IL: Argonne National Lab (ANL), 2005. 414 p.
  72. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbul., Heat Mass Transfer. 2003. V. 4. № 1. P. 625–632.
  73. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. № 8. P. 1598–1605.
  74. Magnussen B.F. On the structure of turbulence and a generalized eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow // 19th AIAA Aerospace Sci. Meeting: Missouri. USA, 1981. 7 p.
  75. Трошин А.И., Молев С.С., Власенко В.В., Михайлов С.В., Бахнэ С., Матяш С.В. Моделирование турбулентных течений на основе подхода iddes c помощью программы zflare // Вычисл. мех. сплошных сред. 2023. Т. 16 № 2. С. 203–218.
  76. Lewandowski M.T., Ertesvåg I.S. Analysis of the eddy dissipation concept formulation for MILD combustion modelling // Fuel. 2019. V. 224. P. 687–700.
  77. Li Z., Cuoci A., Sadiki A., Parente A. Comprehensive numerical study of the Adelaide jet in Hot-Coflow burner by means of RANS and detailed chemistry // Energy. 2017. V. 139. P. 555–570.
  78. De A., Oldenhof E., Sathiah P., Roekaerts D. Numerical simulation of delft-jet-in-hot-coflow (djhc) flames using the eddy dissipation concept model for turbulence–chemistry interaction // Flow, Turbul.&Combust. 2011. V. 87. P. 537–567.
  79. Moule Y., Sabel’nikov V., Mura A. Modelling of self-ignition processes in supersonic non premixed coflowing jets based on a PaSR approach // 17th AIAA Int. Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conf. 2011. P. 2396.
  80. Ширяева А.А. Моделирование высокоскоростных течений со смешанными режимами турбулентного горения на основе трехмерных уравнений Рейнольдса. Дисс. на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Москва: МФТИ, 2019. 217 с.
  81. Балабанов Р.А., Власенко В.В., Ноздрачев А.Ю. Описание предварительно перемешанного турбулентного горения в канале со ступенькой при помощи моделей класса PaSR // Физика горения и взрыва. Т. 60. № 4. С. 44–55.
  82. Warhaft Z., Lumley J. An experimental study of the decay of temperature fluctuations in grid-generated turbulence // J. of Fluid Mech. 1978. V. 88. № 4. P. 659–684.
  83. Sreenivasan K.R., Antonia R.A., Chambers A.J. On the variation of the turbulent Prandtl number in shear flows // Int. Commun. in Heat&Mass Transfer. 1984. V. 11. № 5. P. 497–501.
  84. Keistler P., Xiao X., Hassan H., Rodriguez C. Simulation of supersonic combustion using variable turbulent Prandtl/Schmidt number formulation // 36th AIAA Fluid Dyn. Conf.&Exhibit. 2006. 3733.
  85. Libby P.A. A non-gradient theory for premixed turbulent flames // in: Mech. Today: Vol. 5. New York: Pergamon, 1980. P. 215–232.
  86. Shih T.-H., Lumley J.L., Chen J.-Y. Second-order modeling of a passive scalar in a turbulent shear flow // AIAA J. 1990. V. 28. № 4. P. 610–617.
  87. Dakos T., Gibson M.M. On Modelling the Pressure Terms of the Scalar Flux Equations. Berlin;Heidelberg: Springer, 1987.
  88. Craft T.J., Ince N.Z., Launder B.E. Recent developments in second-moment closure for buoyancy-affected flows // Dyn. of Atmosph.&Oceans. 1996. V. 23. № 1–4. P. 99–114.
  89. Johns Hopkins University Turbulence Database. http://turbulence.pha.jhu.edu/ (дата обращения: 22 декабря 2023)
  90. Balabanov R., Usov L., Troshin A., Vlasenko V., Sabelnikov V. A differential subgrid stress model and its assessment in large eddy simulations of non-premixed turbulent combustion // Appl. Sci. 2022. V. 12. Art No. 8491.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024