[論文レビュー] Modelling Rotating Detonative Combustion Fueled by Partially Pre-vaporized n-Heptane Sprays

Majie Zhao, Huangwei Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2020

Combustion and Detonation Processes参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、部分的に予め気化されたnヘプタンスプレーを用いた回転爆撃燃焼（RDC）を、Eulerian-Lagrangianシミュレーションによりモデル化し、ドロップレットサイズとストイキオメトリ比が爆撃速度、燃料消費量、燃焼モードに顕著に影響することを明らかにした。最適な比推進力は5–20 µmのドロップレットで達成され、気体状のケースと比較して爆撃速度は2–18%低下し、20 µmのドロップレット径でピークに達する。

ABSTRACT

Eulerian-Lagrangian simulations are conducted for two-dimensional Rotating Detonative Combustion (RDC) fueled by partially prevaporized n-heptane sprays. The influences of droplet diameter and total equivalence ratio on detonation combustion and droplet dynamics are studied. It is found that small n-heptane droplets (e.g. 5 um) are completely vaporized around the detonation wave, while intermediate n-heptane droplets (e.g. 20 um) are consumed in or behind the detonation wave, with the escaped ones be continuously evaporated and deflagrated. The droplet distributions in the RDE combustor are significantly affected by the droplet evaporation behaviors. Mixed premixed and non-premixed combustion modes are seen in two-phase RDC. The detonated fuel fraction is high when the droplet diameters are small or large, reaching its minimal value with diameter being 20 um. The detonation propagation speed decreases with increased droplet diameter and is almost constant when the diameter is larger (> 30 um). The velocity deficits are 2-18% compared to the respective gaseous cases. Moreover, the propagation speed increases as the total equivalence ratio increases for the same droplet diameter. It is also found that the detonation propagation speed and detonated fuel fraction are considerably affected by the pre-vaporized gas equivalence ratio. The specific impulse first decreases for cases with initial diameter less than 5 μm, then increases with droplet diameter between 5 μm and 20 μm, and finally decreases with droplet diameter larger than 20 μm.

研究の動機と目的

• 部分的に予め気化されたnヘプタンを燃料とする回転爆撃エンジン（RDE）におけるドロップレット径と全ストオキオメトリ比が爆撃波伝播に与える影響を調査すること。
• ドロップレットの蒸発および燃焼挙動が、2相流の動態およびRDCにおける燃焼モード遷移に与える影響を分析すること。
• 予め気化されたガスのストオキオメトリ比が爆撃性能および比推進力に与える影響を定量化すること。
• 安定な爆撃波伝播を維持しつつ比推進力を最大化する最適なドロップレットサイズを特定すること。

提案手法

• 2次元の回転爆撃燃焼をモデル化するため、nヘプタンスプレーを用いたEulerian-Lagrangian流体動力学（CFD）シミュレーションが用いられた。
• ドロップレットの動態はLagrangian粒子追跡により追跡され、蒸発は質量移動相関式を用いてモデル化された。
• 燃焼モデルは、局所的な燃料-空気混合比に応じて混合プリミックスおよび非プリミックス（拡散）炎の両モードを組み込んだものである。
• 爆撃波伝播は、爆撃波前線の高速伝播を再現する反応性Eulerianフレームワークを用いてシミュレートされた。
• 性能指標への影響を評価するために、全ストオキオメトリ比および予め気化されたガスのストオキオメトリ比を体系的に変化させた。
• 比推進力は、異なるドロップレット径およびストオキオメトリ比におけるシミュレートされた推力と燃料消費率に基づいて計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的に予め気化されたnヘプタンを用いた2相RDCにおいて、ドロップレット径は爆撃波伝播速度および燃料分率にどのように影響するか？
• RQ2 ドロップレットの蒸発および燃焼挙動は、RDEにおけるドロップレット分布および燃焼モードに果たす役割は何か？
• RQ3 予め気化されたガスのストオキオメトリ比は、2相RDCにおける爆撃速度および比推進力にどのように影響するか？
• RQ4 部分的に予め気化されたnヘプタンを用いたRDCにおいて、どのドロップレット径で比推進力が最大になるか？
• RQ5 全ストオキオメトリ比の変動が、爆撃波の安定性および爆撃速度や燃料分率などの性能指標に与える影響は何か？

主な発見

• 小さなnヘプタンドロップレット（5 µm）は爆撃波周辺で完全に気化されるが、中程度のドロップレット（20 µm）は波の前後で燃焼され、未燃焼のものは継続的に蒸発し、炎上燃焼を経験する。
• ドロップレット径が増加するにつれて爆撃波伝播速度は低下し、30 µmを超えるとほぼ一定に保たれ、気体状のケースと比較して速度欠損は2–18%に達する。
• 燃焼された燃料分率は20 µmのドロップレット径で最小値を示し、このサイズでは燃焼効率が最適でないことが示唆される。
• 比推進力は5 µm未満のドロップレットでは減少し、5–20 µmでは増加し、20 µmを超えると再び低下するため、性能最適化は5–20 µmの範囲に存在する。
• 同じドロップレット径において、全ストオキオメトリ比が高いほど爆撃波速度が上昇し、予め気化されたガスのストオキオメトリ比の影響も顕著である。
• 2相RDCでは混合プリミックスおよび非プリミックス燃焼モードが観察され、燃焼挙動はドロップレットの蒸発ダイナミクスに強く依存する。