Влияние модели химической кинетики на результаты численного моделирования турбулентных течений с горением

Влияние модели химической кинетики на результаты численного моделирования турбулентных течений с горением

Автор: Лю В.

Журнал: Труды Московского физико-технического института @trudy-mipt

Рубрика: Механика

Статья в выпуске: 2 (58) т.15, 2023 года.

Бесплатный доступ

На примере численного моделирования двух классических экспериментов анализируется влияние модели химической кинетики на структуру и характеристики течения, получаемые при расчете данных классов течений. Первый эксперимент касается высокоскоростного неперемешанного горения водорода со стабилизацией за счет самовоспламенения, а второй - медленного предварительно перемешанного горения метана со стабилизацией на ступеньке и возникновением волны диффузионного пламени. Расчеты выполнены при помощи программы ANSYS Fluent. Показано значительное влияние кинетического механизма на трёхмерную структуру течения и взаимодействие модели кинетики с моделью турбулентного горения.

Еще

Модель химической кинетики, сверхзвуковое неперемешанное горение, дозвуковое перемешанное горение, турбулентность, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/142238152

IDR: 142238152

Список литературы Влияние модели химической кинетики на результаты численного моделирования турбулентных течений с горением

  • Westbrook C.K., Mizobuchi Y., Poinsot T.J., Smith P.J., Warnatz J. Computational combustion // Proceedings of the Combustion Institute. 2005. V. 30, N 1. P. 125–157.
  • Hirschfelder J.O., Curtiss C.F. The theory of flame propagation // The Journal of Chemical Physics. 1949. V. 17, N 11. P. 1076–1081.
  • Spalding D.B. The theory of flame phenomena with a chain reaction // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1956. V. 249, N 957. P. 1–25.
  • Dixon-Lewis G. Flame Structure and Flame Reaction Kinetics. I. Solution of Conservation Equations and Application to Rich Hydrogen-Oxygen Flames // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1967. V. 298, N 1455. P. 495–513.
  • Marteney P.J. Analytical study of the kinetics of formation of nitrogen oxide in hydrocarbon-air combustion // Combustion Science and Technology. 1970. V. 1, N 6. P. 461–469.
  • Seery D.J., Bowman C.T. An experimental and analytical study of methane oxidation behind shock waves // Combustion and Flame. 1970. V. 14, N 1. P. 37–47.
  • Bowman C.T. A shock-tube investigation of the high-temperature oxidation of methanol // Combustion and Flame. 1975. V. 25. P. 343–354.
  • Westbrook C.K., Dryer F.L. Comprehensive mechanism for methanol oxidation // Combustion Science and Technology. 1979. V. 20, N 3–4. P. 125–140.
  • Evans J.S., Schexnayder Jr.C.J. Influence of chemical kinetics and unmixedness on burning in supersonic hydrogen flames // AIAA Journal. 1980. V. 18, N 2. P. 188–193.
  • Jachimowski C.J. An analytical study of the hydrogen-air reaction mechanism with application to scramjet combustion // NASA Technical paper. 1988. N 2791. P. 17.
  • Rogers R.C., Schexnayder C.J. Chemical kinetic analysis of hydrogen-air ignition and reaction times // NASA Technical paper. 1981. N 1856. P. 58.
  • Ju Y., Niioka T. Reduced kinetic mechanism of ignition for nonpremixed hydrogen/air in a supersonic mixing layer // Combustion and Flame. 1994. V. 99, N 2. P. 240–246.
  • Gerlinger P., Nold K., Aigner M. Investigation of hydrogen-air reaction mechanisms for supersonic combustion // 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2008. AIAA 2008-4682. P. 18.
  • 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 Dynamics Conference. 2014. AIAA 2014-2097. P. 15.
  • Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegn´er J., Sabel’nikov V. Finite Rate Chemistry Large- Eddy Simulation of Self-Ignition in Supersonic Combustion Ramjet // AIAA Journal. 2010. V. 48, N 3. P. 540–550.
  • 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 // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44, N 10. P. 5007–5019.
  • Fureby C. Subgrid models, reaction mechanisms, and combustion models in large-eddy simulation of supersonic combustion // AIAA Journal. 2021. V. 59, N 1. P. 215–227.
  • Власенко В.В., Ширяева А.А. Расчеты течения в модельной высокоскоростной камере сгорания с использованием различных моделей химической кинетики // Горение и взрыв. 2015. Т. 8, № 1. С. 116–125.
  • Власенко В.В., Волощенко О.В., Фролов С.М., Зангиев А.Э., Семенов И.В., Фролов Ф.С. Влияние теплообмена, турбулентности и кинетики на колебательный процесс в модельной высокоскоростной камере сгорания с уступом // Горение и взрыв. 2018. T. 11, № 2. C. 40–50.
  • Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. V. 32, N 8. P. 1598–1605.
  • Ширяева А.А. Применение модели реактора частичного перемешивания для учета взаимодействия турбулентности и горения на основе уравнений Рейнольдса // Ученые записки ЦАГИ. 2018. T. 49, № 8. C. 27–39.
  • 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. T. 12, № 1. C. 43–57.
  • Gran I.R., Magnussen B.F. A numerical study of a bluff-body stabilized diffusion flame. Part 2. Influence of combustion modeling and finite-rate chemistry // Combustion Science and Technology. 1996. V. 119, N 1–6. P. 191–217.
  • Chomiak J., Karlsson A. Flame liftoff in diesel sprays // Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion. 1996. P. 2557–2564.
  • Petrova N. Turbulence-chemistry interaction models for numerical simulation of aeronautical propulsion systems // Modeling and Simulation. Ecole polytechnique X. 2015. P. 316.
  • Sabelnikov V., Fureby C. LES combustion modeling for high Re flames using a multi-phase analogy // Combustion and Flame. 2013. V. 160, N 1. P. 83–96.
  • Бахнэ С., Власенко В.В., Волощенко О.В., Зосимов С.А., Иванькин М.А., Курсаков И.А., Матяш С.В., Михайлов С.В., Молев С.С., Морозов А.Н., Николаев А.А., Ноздрачев А.Ю., Сабельников В.А., Сысоев А.В., Трошин А.И., Ширяева А.А. Опыт тестирования и применения программы zFlare для численного моделирования течений с горением в каналах // Труды ЦАГИ. 2022. Вып 2810. C. 34–98.
  • Ansys Fluent Theory Guide. Release 2, Academic version, 2021.
  • Лю В. Анализ факторов, определяющих структуру численного решения при расчете течения с горением в экспериментальной модели ONERA // Теплофизика и аэромеханика. 2023. № 3.
  • Vincent-Randonnier A., Moule Y., Ferrier M. Combustion of hydrogen in hot air flows within LAPCAT-II dual mode ramjet combustor at ONERA-LAERTE facility-experimental and numerical investigation // 19th AIAA International space planes and hypersonic systems and technologies conference. 2014. AIAA Paper 2014-2932. P. 16.
  • Pelletier G., Ferrier M., Vincent-Randonnier A., Sabelnikov V., Mura A. Wall roughness effects on combustion development in confined supersonic flow // Journal of Propulsion and Power. 2021. V. 37, N 1. P. 151–166.
  • Власенко В.В., Лю В., Молев С.С., Сабельников В.А. Влияние условий теплообмена и химической кинетики на структуру течения в модельной камере сгорания ONERA LAPCAT II // Горение и взрыв. 2020. T. 13, № 2. C. 36–47.
  • Aupoix B. Roughness corrections for the 𝑘–𝜔 shear stress transport model: status and proposals // Journal of Fluids Engineering. 2015. V. 137, N 2. P. 10.
  • Colebrook C.F., Blench T., Chatley H., Essex E., Finniecome J., Lacey G., Williamson J., Macdonald G. Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws.(includes plates) // Journal of the Institution of Civil engineers. 1939. V. 12, N 8. P. 393–422.
  • Volino R.J., Devenport W.J., Piomelli U. Questions on the effects of roughness and its analysis in non-equilibrium flows // Journal of Turbulence. 2022. V. 23, N 8. P. 454–466.
  • Singh D., Jachimowski C.J. Quasiglobal reaction model for ethylene combustion // AIAA journal. 1994. V. 32, N 1. P. 213–216.
  • Власенко В.В. О различных способах определёния теплового эффекта и полноты сгорания в потоке реагирующего газа // Ученые записки ЦАГИ. 2014. T. 45, № 1. C. 1–25.
  • Magre P., Moreau P., Collin G., Borghi R., Pealat M. Further studies by CARS of premixed turbulent combustion in a high velocity flow // Combustion and Flame. 1988. V. 71, N 2. P. 147–168.
  • Басевич В., Беляев А., Фролов С. «Глобальные» кинетические механизмы для расчета турбулентных реагирующих течений // Химическая физика. 1998. T. 17, № 9. C. 117–129.
  • Smooke M.D. Reduced kinetic mechanisms and asymptotic approximations for methane-air flames: a topical volume. Springer, 1991.
  • Лю В. Опыт численного моделирования турбулентного горения метано-воздушной смеси в канале с уступом с использованием пакета вычислительной аэродинамики Ansys Fluent на базе различных моделей химической кинетики // Горение и взрыв. 2023. T. 16, № 2. C. 89–106.
  • Mura A., Demoulin F.-X. Lagrangian intermittent modelling of turbulent lifted flames // Combustion Theory and Modelling. 2007. V. 11, N 2. P. 227–257.
  • Щетинков Е.С. Физика горения газов. Москва : Наука, 1965. 740 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp