[論文レビュー] LES of a non-premixed hydrogen flame stabilized by bluff-bodies of various shapes

Agnieszka Wawrzak, Robert Kantoch+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Combustion and flame dynamics被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、大渇乱シミュレーション（LES）を用い、流入口の流れをモデル化するためのANSYS Fluentと、燃焼を解像度の高いコード（SAILOR）で解明する二段階の計算的手法を採用し、円柱形、正方形、星型の形状をした流れ止め体（ブレフ・ボディ）および平滑な壁、波状の壁を有する壁トポロジーの異なるものについて、非予め混合型水素炎の安定化を調査した。主な発見は、正方形および星型の流れ止め体が混合と炎温度を顕著に向上させることであり、特に正方形の流れ止め体は、従来の円錐形と比較して、ピーク炎温度を約200 K上昇させるとともに、再循環領域を15%短縮した。

ABSTRACT

Dynamics of flames stabilized downstream of different shape bluff-bodies (cylindrical, square, star) with different wall topologies (flat, wavy) is investigated using large-eddy simulations (LES). A two-stage computational procedure involving the ANSYS software and an in-house academic high-order code is combined to model a flow in the vicinity of the bluff-bodies and a flame formed downstream. The fuel is nitrogen-diluted hydrogen and the oxidizer is hot air in which the fuel auto-ignites. After the ignition, the flame propagates towards the bluff-body surfaces and stabilizes in their vicinity. It is shown that the flames reflect the bluff-body shape due to large-scale strong vortices induced in the shear layer formed between the main recirculation zone and the oxidizer stream. The influence of the acute corners of the bluff-bodies on the flame dynamics is quantified by analysing instantaneous and time-averaged results. Compared to the classical conical bluff-body the largest differences in the temperature and velocity distributions are observed in the configuration with the square bluff-body. The main recirculation zone is shortened by approximately 15% and at its end temperature in the axis of the flame is almost 200~K larger. Simultaneously, their fluctuations are slightly larger than in the remaining cases. The influence of the wall topology (flat vs. wavy) in the configuration with the classical conical bluff-body turned out to be very small and it resulted in modifications of the flow and flame structures only in the direct vicinity of the bluff-body surface.

研究の動機と目的

• 非予め混合型水素燃焼における流れ止め体の幾何形状および壁トポロジーが炎の安定化と混合に与える影響を調査すること。
• 非円形の流れ止め体に存在する鋭いコーナーが、乱流混合および炎のダイナミクスに与える影響を定量化すること。
• 平滑な壁と比較して波状の壁トポロジーが、流れの構造および炎の特性に与える影響を評価すること。
• 再循環領域と酸化剤流れの間のせん断層における大規模な渦が炎構造に与える影響を分析すること。
• ANSYS Fluentと自社開発の高次精度コードを組み合わせた二段階のLESシミュレーション手法が、正確な燃焼モデル化に果たす貢献を評価すること。

提案手法

• 二段階のLES手法を採用：複雑な流れ止め体形状周囲の初期流れをシミュレートするためのANSYS Fluentを用い、その後に自社開発の高次精度コード（SAILOR）を用いて詳細な燃焼解像度を達成した。
• 低マッハ数近似の下で、Favreフィルタリングされた支配方程式を用い、微小スケール（SGS）応力および拡散フラックスをモデル化することで、圧縮性で反応する流れをモデル化した。
• 化学的源項に対して「モデルなし」のアプローチを採用し、フィルタリングされた変数から直接計算することで、経験的燃焼モデルを回避した。
• 燃料として窒素希釈水素、酸化剤として加熱空気を用い、自己 igniion が流れ止め体の下流で発生するようにシミュレーションした。
• 円柱形、正方形、星型の3種類の流れ止め体形状および平滑・波状の2種類の壁トポロジーを用いて、炎および流れの構造を比較した。
• 瞬時および時間平均の流れ場および炎場を分析し、速度、温度、および種分率の分布に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流れ止め体の形状（円柱形、正方形、星型）が、非予め混合型水素炎の形成および安定化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 従来の円錐形と比較して、非円形の流れ止め体に存在する鋭いコーナーが、乱流混合および炎温度をどの程度向上させるか？
• RQ3 壁トポロジー（平滑 vs. 波状）が、流れ止め体周辺の流れ構造および炎ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ4 流れ止め体の幾何形状が、主な再循環領域および関連する渦のサイズと構造に与える影響は何か？
• RQ5 異なる流れ止め体配置における温度および速度のフラクチュエーションはどのように変化するか？ これにより炎の安定性および混合効率に関する何が示唆されるか？

主な発見

• 正方形の流れ止め体では、従来の円錐形と比較して、主な再循環領域が約15%短縮された。
• 軸方向位置 𝑦/𝐷𝑏 = 1.5 において、中心線におけるピーク炎温度は、正方形の流れ止め体の場合、円柱形または星型の形状と比較して約200 K高い値を示した。
• 正方形の流れ止め体は、酸化剤の強力な混合を誘発し、燃料の消費が速く、よりコンactで中心に位置する炎構造を生じさせた。
• 温度フラクチュエーション（rms）は、正方形の流れ止め体の場合顕著に高く、インレット平面付近では円柱形の場合と比較して40 K高い値を示した。
• 正方形および星型の形状の炎構造は、燃料流れ側に顕著にずれており、鋭いコーナーに起因する渦の形成による混合の向上が示唆された。
• 波状の壁トポロジーが炎ダイナミクスに与える影響は限定的であり、インレット付近の局所的流れ構造にわずかな影響を与えるにとどまり、下流の炎特性に顕著な影響はなかった。