[論文レビュー] Numerical investigation of high-pressure combustion in rocket engines using Flamelet/Progress-variable models

Alessandro Coclite, Luigi Cutrone+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Combustion and flame dynamics参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高圧水素/液体酸素（LO₂）ロケット燃焼のための新しいフレームレット／進捗変数（FPV）モデルを提案する。このモデルは、混合物分率と進捗変数の同時確率密度関数（PDF）に関する仮定を排除するために、統計的に最も妥当な分布（SMLD）フレームワークを用いる。実気体状態方程式（Peng-Robinson）と詳細なキネティクス機構を統合することで、特にノズル付近において、炎構造および温度の予測精度が向上し、従来のFPVモデルに比べて炎の長さ、厚さ、および渦巻き入り込み効果をよりよく捉えることができる。MASCOTTE V03実験ケースにおいて優れた性能を示した。

ABSTRACT

The present paper deals with the numerical study of high pressure LOx/H2 or LOx/hydrocarbon combustion for propulsion systems. The present research effort is driven by the continued interest in achieving low cost, reliable access to space and more recently, by the renewed interest in hypersonic transportation systems capable of reducing time-to-destination. Moreover, combustion at high pressure has been assumed as a key issue to achieve better propulsive performance and lower environmental impact, as long as the replacement of hydrogen with a hydrocarbon, to reduce the costs related to ground operations and increase flexibility. The current work provides a model for the numerical simulation of high- pressure turbulent combustion employing detailed chemistry description, embedded in a RANS equations solver with a Low Reynolds number k-omega turbulence model. The model used to study such a combustion phenomenon is an extension of the standard flamelet-progress-variable (FPV) turbulent combustion model combined with a Reynolds Averaged Navier-Stokes equation Solver (RANS). In the FPV model, all of the thermo-chemical quantities are evaluated by evolving the mixture fraction Z and a progress variable C. When using a turbulence model in conjunction with FPV model, a probability density function (PDF) is required to evaluate statistical averages of chemical quantities. The choice of such PDF must be a compromise between computational costs and accuracy level. State- of-the-art FPV models are built presuming the functional shape of the joint PDF of Z and C in order to evaluate Favre-averages of thermodynamic quantities. The model here proposed evaluates the most probable joint distribution of Z and C without any assumption on their behavior.

研究の動機と目的

• 高圧ロケットエンジン、特に超臨界定常状態下におけるより正確な乱流燃焼モデルの開発を目的とする。
• フレームレット／進捗変数（FPV）モデルにおけるPDFの形状に関する仮定に依存しないように、統計的に最も妥当な分布（SMLD）フレームワークを導入することを目的とする。
• 高圧水素/液体酸素系における燃焼予測精度に及ぼす実気体効果および詳細なキネティクス機構の影響を評価することを目的とする。
• 提案されたモデルの性能をMASCOTTE V03実験ケースからの実験データと比較して評価することを目的とする。

提案手法

• 研究では、高圧乱流流体をシミュレートするために、低レイノルズ数k-ω乱流モデルを用いたリノルズ平均ナビエ＝ストークス（RANS）ソルバを採用する。
• フレームレット／進捗変数（FPV）モデルを用い、熱力学的化学量は混合物分率（Z）と進捗変数（C）によって追跡する。
• SMLDフレームワークを用いて、PDFの関数形を仮定せずに、ZとCの最も確率の高い同時分布を計算することで、統計的精度を向上させる。
• 超臨界圧力下での実気体効果を考慮するために、Peng-Robinson状態方程式を導入する。これは、密度および輸送特性の正確なモデル化に不可欠である。
• 4つのキネティクス機構（2つの簡略化版：LiおよびWarnatz、2つの詳細版：LiおよびWarnatz）を用いて、化学機構の選択に及ぼす感度を評価する。
• モデルは、主に温度およびOH質量分率分布に注目して、MASCOTTE V03実験ケースからの実験データと照合して検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMLDに基づくFPVモデルは、PDF形状を仮定する従来のFPVモデルと比較して、予測精度をどのように向上させるか？
• RQ2 実気体効果は、高圧水素/液体酸素ロケットエンジンにおける炎構造および燃焼効率にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 異なるキネティクス機構（簡略化版対詳細版）は、 ignitions 延滞、炎の長さ、反応領域の厚さの予測にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 提案されたモデルは、コーナー渦の巻き込みや炎前線の変形といった複雑な流れの特徴を正確に捉えることができるか？

主な発見

• SMLDフレームワークに基づくモデルBは、モデルAと比較して、実験データとの一致が良い短い炎長さを予測する。
• SMLDベースのモデルは、特にノズル付近（x ≤ 0.03 m）で、コーナー渦の巻き込みに起因する炎前線の盛り上がりをより正確に捉えている。
• モデルBでは初期領域において炎の厚さがゆっくりと増加し、冷たいLO₂コアに近い薄い高温層を正しく表現している。
• 詳細なLiスキームは、簡略化スキームが燃焼速度を過大評価し、 ignitions 延滞を過小評価するのに対し、温度および炎構造の予測精度がより高い。
• SMLDベースのPDFモデリングと実気体効果を組み合わせたモデルは、ノズルから0.1 m以内の領域において、温度およびOH質量分率分布の予測精度が向上している。
• 詳細なキネティクス、実気体効果、SMLDベースのPDFモデリングの組み合わせにより、高圧燃焼シミュレーションの忠実性が著しく向上している。