[論文レビュー] Multi-component vapor-liquid equilibrium model for LES and application to ECN Spray A

Jan Matheis, Stefan Hickel|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Combustion and flame dynamics参考文献 2被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、液体燃料噴射における高圧乱流混合のための大規模済み乱流シミュレーション（LES）に適した、完全保存的で多成分の気液平衡モデルを提示する。特にECNスプレーAベンチマークに応用した。モデルは、共存する超臨界および準臨界の二相状態を正確に捉え、単相モデルで生じる一般的な数値不安定性を解消し、実験データとの優れた一致を達成した。蒸気の浸透深さおよびシュレリエン型構造について、実験データと良好に一致した。

ABSTRACT

We present and evaluate a detailed multi-species two-phase thermodynamic equilibrium model for large-eddy simulations (LES) of liquid-fuel injection and mixing at high pressure. The model can represent the coexistence of supercritical states and multi-component subcritical two-phase states. LES results for the transcritical Spray A of the Engine Combustion Network (ECN) are found to agree very well to available experimental data. We also address well-known numerical challenges of trans- and supercritical fluid mixing and compare a fully conservative formulation to a quasi conservative formulation of the governing equations. Our results prove physical and numerical consistency of both methods on fine grids and demonstrate the effects of energy conservation errors associated with the quasi conservative formulation on typical LES grids.

研究の動機と目的

• 高圧液体燃料噴射における既存のLESモデルの限界、特に超臨界および臨界を超える領域での限界を解決する。
• 渦コアの発展中に単相密度ガスモデルで生じる物理的に不自然な状態によって引き起こされる数値不安定性を克服する。
• 同時に準臨界および超臨界状態を扱える、物理的に整合性のある多成分二相熱力学的平衡モデルを開発する。
• 高圧流体のLESにおける、完全保存的（FC）および準保存的（QC）形式の制御方程式の性能を比較する。
• ECNスプレーAベンチマーク事例における蒸気の浸透深さ、温度場および圧力場の正確な予測を達成する。

提案手法

• 質量、運動量、エネルギー、および成分保存を保証する完全保存的（FC）形式で、圧縮性多成分ナビエ–ストークス方程式を定式化する。
• 計算コストを低減しつつ安定性を維持するため、圧力発展方程式（PEVO）を用いた準保存的（QC）形式を実装する。
• 立方体状態方程式（EoS）を用い、気液平衡（VLE）計算を統合することで、多成分混合物における相共存をモデル化する。
• Fickの法則に有効な二成分拡散係数を適用し、組成依存の拡散を考慮して混合物内の成分フラックスを計算する。
• 局所状態における等体積・等エネルギーのフラッシュ問題を計算セル内で解き、相分率および熱力学的状態を決定する。
• n-ドデカンを6 MPaおよび363 Kで噴射し、900 Kの窒素雰囲気中に注入するECNスプレーAケースにモデルを適用し、細かいグリッド上の高精度LESを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全保存的で多成分の二相熱力学モデルは、単相密度ガスモデルと比較して、超臨界スプレー流のLESにおける数値安定性を向上させることができるか？
• RQ2 実用的なLESグリッド上での物理的整合性およびエネルギー保存の観点から、完全保存的（FC）および準保存的（QC）形式の制御方程式の性能はどのように比較できるか？
• RQ3 多成分VLEおよび相共存を組み込むことで、ECNスプレーAベンチマークにおける蒸気の浸透深さおよび流れの構造の予測精度はどの程度向上するか？
• RQ4 QC形式におけるエネルギー保存誤差は、高圧乱流混合における温度および圧力予測にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ラグランジュ粒子追跡や単相仮定を用いずに、実験のシュレリエン像および蒸気の浸透軌跡を正確に再現できるか？

主な発見

• 完全保存的（FC-EQ）LESモデルは、渦コア内の低圧領域でさえも、数値不安定性を示さずにECNスプレーAケースをシミュレートした。
• 実験のシュレリエンデータと比較して、蒸気の浸透深さを非常に良好に再現した。特に0.8 msまで優れた一致を示し、後期にはわずかに過大予測した。
• 軸方向密度勾配に基づく数値シュレリエン像は、実験のシュレリエン像と顕著に類似しており、モデルが流れの構造を捉える能力を裏付けた。
• 1%混合物分率閾値は、特に長期的挙動において、シュレリエンに基づく測定と比較して蒸気の浸透深さを過小予測したため、推奨されない。
• FCおよびQC形式は細かいグリッド上ですべて同じ解に収束し、物理的および数値的整合性を確認したが、QC形式は粗いLESグリッド上でのエネルギー保存誤差により顕著な温度過大予測を示した。
• ジェット先端部の局所圧力は、渦リングの形成により約3 MPaまで低下し、定格の6 MPa運転圧力から顕著に逸脱していることが示された。これは、強固な二相熱力学モデルの必要性を強調する。