[論文レビュー] MVP-Workshop Contribution: Modeling of Volvo Bluff Flame Experiment and Comparison of Finite-Volume and Discontinuous-Galerkin Schemes

Hao Wu, Peter Ma+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Combustion and flame dynamics参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、標準的な薄型プレミックス燃焼配置であるボルボのぶつかり体で安定化されたflameを対象とした大規模済み乱流シミュレーション（LES）において、有限体積法（FV）と不連続ガレルキン法（DG）の高次数数値スキームを比較している。両方のソルバは高解像度で実験データと良好な一致を示し、DG法の2次多項式（DGP2）とFV法の2 mmメッシュ解像度が最も優れた性能を示しており、炎の安定性予測のための乱流-燃焼相互作用モデルの重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

The Volvo burner features the canonical configuration of a bluff-body stabilized premixed flame. This configuration was studied experimentally under the Volvo Flygmotor AB program. Two cases are considered in this study: a non-reacting case with an inlet flow speed of 16.6 m/s and a reacting case with equilibrium ratio of 0.65 and inflow speed of 17.3 m/s. The characteristic vortex shedding in the wake behind the bluff body is present in the non-reacting case, while two oscillation modes are intermittently present in the reacting case. A series of large-eddy simulations are performed on this configuration using two solvers, one using a high-resolution finite-volume (FV) scheme and the other featuring a high-order discontinuous-Galerkin (DG) discretization. The FV calculations are conducted on hexahedral meshes with three different resolution (4mm, 2mm, and 1mm). The DG calculations are performed using two different polynomial orders on the same tetrahedral mesh. For the non-reacting cases, good agreement with respect to the experimental data is achieved by both solvers at high numerical resolution. The reacting cases are calculated using a two-step global mechanism in combination with the thickened-flame model. Reasonable agreement with experiments is obtained by both solvers at higher resolution. Models for combustion-turbulence interaction are necessary for the reacting case as it contains the length scale of the flame, which is smaller than the grid resolution in all calculations. The impact of such models on the flame stability and flow/flame dynamics is the subject of future research.

研究の動機と目的

• 標準的なぶつかり体で安定化された炎のLESにおける高次数不連続ガレルキン（DG）法と高解像度有限体積（FV）スキームの性能を評価すること。
• 数値離散化が反応性および非反応性流れにおける非定常な流れおよび炎のダイナミクスを予測するのへの影響を評価すること。
• 小スケール乱流-燃焼相互作用モデルが、グリッドスケール未満の炎構造を解明する役割を果たすかを調査すること。
• 速度およびスカラー統計の両方について、広範な実験データとシミュレーション結果を比較すること。
• 燃焼不安定性の正確なLES予測に最適な数値解像度およびスキーム選択を同定すること。

提案手法

• LESシミュレーションは、高解像度有限体積（FV）離散化に基づくソルバと、高次数不連続ガレルキン（DG）スキームを用いた別のソルバを用いて実施された。
• FVソルバは、3つの解像度（4 mm、2 mm、1 mm）の構造化六面体メッシュを用いた。
• DGソルバは、多項式次数1（DGP1）および2（DGP2）の非構造化四面体メッシュを用いた。
• 反応系のケースでは、2段階のグローバル化学機構に加えて、厚さを考慮した炎モデルを適用した。
• 両ソルバに共通して、未解像スケール（SGS）乱流モデルを適用し、解像されないスケールを補償した。
• シミュレーションは、ボルボ実験装置からの平均速度、RMS揺動、およびスカラー統計を含む実験データと照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次数DG法と高解像度FV法は、ぶつかり体で安定化された炎の非定常な流れおよび炎のダイナミクスを予測する上で、どのように比較されるか？
• RQ2 数値解像度およびスキーム次数が、この標準的な燃焼配置におけるLES予測の精度に与える影響は何か？
• RQ3 現在のグリッド解像度において、乱流-燃焼相互作用モデルが炎の安定性および流れ構造に与える影響はどの程度か？
• RQ4 DGP2のような高次多項式を持つDGスキームは、低次FVまたはDG法よりも実験データとの一致が良好に達成できるか？
• RQ5 なぜ両ソルバともグリッド収束が達成されないのか。また、この制限要因としての小スケールモデルの役割は何か？

主な発見

• 非反応系のケースにおいて、FVソルバが2 mm解像度で実験データと最も良好な一致を示し、渦剥離および平均流れプロファイルの良好な再現が確認された。
• 非反応系のケースにおいて、DGP2はDGP1に比べて、平均および揺動速度成分の両方をより良好に予測した。
• 反応系のケースにおいて、DGP2はDGP1に比べて、炎領域付近の軸方向速度および温度プロファイルを優れた精度で予測した。
• 両ソルバとも再循環領域の逆流を低予測したが、DGP2は下流における速度勾配をよりよく保持した。
• DGP2解は中心線に沿った平衡炎温度を正確に予測したのに対し、DGP1は化学源項の解像度が不十分なために過大予測した。
• 両ソルバともグリッド収束が達成されず、現在の解像度において、乱流-燃焼相互作用の小スケールモデルが結果に顕著な影響を与えていることが示された。