[論文レビュー] Eulerian-Lagrangian modelling of rotating detonative combustion in partially pre-vaporized n-heptane sprays with hydrogen addition

Qingyang Meng, Majie Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Combustion and Detonation Processes参考文献 54被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、水素添加による部分的予蒸発ヘプタンスプレーにおける回転爆撃燃焼を、Eulerian-Lagrangian数値モデルを用いて調査し、滴下動態および爆撃波挙動に注目する。主な発見では、滴下径および予蒸発度が爆撃速度（速度欠損率5–30%）および燃料爆撃効率に顕著な影響を及ぼし、燃料爆撃分率を最小化する臨界滴下径は約20 µmであることが判明した。

ABSTRACT

Rotating detonation combustion (RDC) fuelled with partially pre-vaporized n-heptane sprays and gaseous hydrogen is studied with an Eulerian-Lagrangian method. Our focus is the effects of pre-vaporized n-heptane equivalence ratios and droplet diameters on detonation wave propagation and droplet dynamics in two-phase RDC. The results show that when the droplets are small, they are fully vaporized by the detonation wave. However, when the droplet diameter is relatively large and/or the detonation wave number is bifurcated, liquid droplets are observable beyond the refill zone. Moreover, the detonation speed is considerably influenced by the droplet pre-vaporization and diameter. The velocity deficits vary between 5% and 30%. Over 70% n-heptane is detonated in the simulated cases, and there exists a critical droplet diameter (about 20 um), around which the detonated fuel fraction is minimal. Four droplet trajectories in RDC are identified, which are differentiated by various evaporation times, residence times and interactions between droplets and the basic RDC flow structures. Inside the refill zone, three droplet categories are qualitatively identified. Droplets injected at the right end of the refill zone directly interact with the deflagration surface and meanwhile have relatively long residence time. However, droplets injected closer to the travelling detonation front have insufficient time to be heated and vaporized. Our results also demonstrate that when pre-vaporization level is low and initial droplet diameter is large, the liquid fuel droplets may disperse towards the combustor exit. Furthermore, the droplet dispersion height decreases with liquid fuel pre-vaporization, while increases with droplet diameter.

研究の動機と目的

• 部分的予蒸発ヘプタンの当量比および滴下径が二相回転爆撃燃焼における爆撃波伝播に与える影響を理解すること。
• RDCの流れ構造と関連して、滴下動態、蒸発時間、滞留時間を分析すること。
• 液体滴が補充領域を越えて残存し、燃焼効率に影響を与える条件を特定すること。
• 滴下径および予蒸発度が爆撃速度および爆撃される燃料分率に与える影響を定量すること。
• 滴下分散パターンとその初期滴下径および予蒸発度依存性を検討すること。

提案手法

• ガス相はEulerian保存則を用い、液体相は個々の滴下のLagrangian追跡により取り扱うEulerian-Lagrangianアプローチを採用する。
• 熱伝達および滴下と周囲の反応性流れとの間の質量移動を考慮したD²法を用いて滴下蒸発をモデル化する。
• 反応性を高めるために水素添加を施した回転爆撃燃焼器幾何形状において、爆撃波伝播をシミュレートする。
• 移動する爆撃波および補充領域に対して、滴下の軌道、滞留時間、および蒸発進行度を追跡する。
• 異なる直径および予蒸発度でヘプタン滴下を実際の条件に合わせてインジェクションする境界条件を設定する。
• 運転パラメータを変化させた場合の爆撃速度、爆撃される燃料分率、および滴下分散高さを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滴下径および予蒸発度は、二相RDCにおける爆撃波速度および速度欠損にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 滴下の滞留時間および蒸発期間が、爆撃よりも前に完全に蒸発するかどうかを決定づける役割を果たすか？
• RQ3 液体滴が補充領域を超えて残存する条件、特に分岐爆撃波レジームにおいてはどのような状況か？
• RQ4 初期滴下径が実際に爆撃されるヘプタン分率にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 支配的となる滴下分散パターンは何か、また予蒸発度および滴下径に応じてどのように変化するか？

主な発見

• 滴下の予蒸発および径の影響により爆撃速度が顕著に低下し、条件に応じて速度欠損率が5%～30%に達する。
• シミュレーション事例において70%以上のヘプタンが爆撃されているが、爆撃される燃料分率が最小となる臨界滴下径は約20 µmである。
• 滴下径が大きくかつ予蒸発度が低い場合、加熱および蒸発が不十分なため、液体燃料滴が燃焼器出口方向に拡散する可能性がある。
• 初期滴下径が大きいほど滴下分散高さが増加するが、予蒸発度が高いほど低下する。
• 蒸発時間、滞留時間、および炎上面および爆撃波との相互作用の違いにより、4つの異なる滴下軌道が特定された。
• 補充領域では、爆撃波に近接してインジェクションされた滴下は加熱および蒸発に十分な時間がなく、右端に近い滴下は炎上面と相互作用し、より長期間滞留する。