[論文レビュー] Eulerian-Lagrangian modelling of detonative combustion in two-phase gas-droplet mixtures with OpenFOAM: validations and verifications

Zhiwei Huang, Majie Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2020

Combustion and Detonation Processes参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、二相性ガス-ドロップレット混合物における爆燃燃焼をシミュレートするための、OpenFOAMベースのEulerian-Lagrangian型ソルバ「RYrhoCentralFoam」を提案する。圧縮性多成分ガス流れに対して2次精度の有限体積離散化を組み合わせ、Lagrangianドロップレット追跡と詳細な化学機構を実装し、解析的・実験的データとの比較によって爆燃波の伝播、衝撃波構造、ドロップレットサブモデルの妥当性を成功裏に検証した。

ABSTRACT

A hybrid Eulerian-Lagrangian solver RYrhoCentralFoam is developed based on OpenFOAM to simulate detonative combustion in two-phase gas-liquid mixtures. For Eulerian gas phase, RYrhoCentralFoam enjoys second order of accuracy in time and space discretizations and is based on finite volume method on polyhedral cells. The following developments are made based on the standard compressible flow solver rhoCentralFoam in OpenFOAM: (1) multi-component species transport, (2) detailed fuel chemistry for gas phase combustion, and (3) Lagrangian solver for gas-droplet two-phase flows and sub-models for liquid droplets. To extensively verify and validate the developments and implementations of the solver and models, a series of benchmark cases are studied, including non-reacting multi-component gaseous flows, purely gaseous detonations, and two-phase gas-droplet mixtures. The results show that the RYrhoCentralFoam solver can accurately predict the flow discontinuities (e.g. shock wave and expansion wave), molecular diffusion, auto-ignition and shock-induced ignition. Also, the RYrhoCentralFoam solver can accurately simulate gaseous detonation propagation for different fuels (e.g. hydrogen and methane), about propagation speed, detonation frontal structures and cell size. Sub-models related to the droplet phase are verified and/or validated against analytical and experimental data. It is also found that the RYrhoCentralFoam solver is able to capture the main quantities and features of the gas-droplet two-phase detonations, including detonation propagation speed, interphase interactions and detonation frontal structures. As our future work, RYrhoCentralFoam solver can also be extended for simulating two-phase detonations in dense droplet sprays.

研究の動機と目的

• 二相性ガス-ドロップレット系における爆燃燃焼を高精度でシミュレートできるオープンソースの計算フレームワークの開発を目的とする。
• OpenFOAMのrhoCentralFoamに、多成分物質輸送、詳細な化学動力学、Lagrangianドロップレットモデルを拡張することを目的とする。
• 衝撃波、爆燃波、相間相互作用を的確に捉えるソルバの正確性を検証・検証することを目的とする。
• 水素やメタンなどの液体燃料系における、複雑な爆燃現象（例えばドロップレット含有環境下の爆燃）のシミュレーションを可能とすることを目的とする。
• 今後の研究における高密度ドロップレットスプレーの爆燃環境における応用を想定し、スケーラブルかつ拡張可能なツールを提供することを目的とする。

提案手法

• OpenFOAMフレームワーク内に、ハイブリッドEulerian-Lagrangian型ソルバとしてRYrhoCentralFoamを開発する。
• 多角形非構造メッシュを用いたEulerianガス相に対して、2次精度の空間的・時間的離散化を実装する。
• 気相燃焼に適した多成分物質輸送と詳細な化学機構を統合する。
• ドロップレット蒸発、加熱、燃焼をサブモデルとして備えたLagrangian粒子ソルバを統合する。
• 複雑な幾何形状においても安定性と精度を確保するため、非構造多角形セル上での有限体積法を用いる。
• 非反応系流れ、気相反応爆燃、二相流れの解析的解および実験データとの比較により、検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RYrhoCentralFoamソルバは、多成分ガス混合物における衝撃波および膨張波の不連続性を2次精度で的確に予測できるか？
• RQ2 水素やメタンなどの気相反応燃料に対して、ソルバは爆燃波の伝播速度、波面構造、セルサイズをどれほど正確に捉えられるか？
• RQ3 実装されたドロップレットサブモデルは、蒸発および加熱に関して、実験的・解析的挙動をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 ソルバは、相間運動量およびエネルギー移動を含む、ガス-ドロップレット二相爆燃の主要な特徴をシミュレートできるか？
• RQ5 反応性混合物における自己着火および衝撃誘発着火を予測する際、ソルバの精度はどの程度か？

主な発見

• RYrhoCentralFoamソルバは、多成分ガス流れにおける衝撃波および膨張波の不連続性を2次精度で的確に予測している。
• 水素およびメタンの爆燃波の伝播速度と波面構造は、実験的および理論的ベンチマークと良好に一致している。
• 気相反応爆燃における計算セルサイズは、既知の理論値とよく一致しており、正しい波構造の解像度が得られていることが確認された。
• 蒸発および加熱のドロップレットサブモデルは、解析的解および実験データと強い一致を示している。
• ソルバは相間相互作用および二相爆燃の主な特徴（伝播速度、波構造など）を的確に捉えている。
• フレームワークは安定的かつスケーラブルであり、今後の研究において高密度ドロップレットスプレーの配置への応用が可能である。