[논문 리뷰] Eulerian-Lagrangian modelling of detonative combustion in two-phase gas-droplet mixtures with OpenFOAM: validations and verifications

Zhiwei Huang, Majie Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 21.

Combustion and Detonation Processes참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이중상 기체-수증기 혼합물에서 폭발성 연소를 시뮬레이션하기 위한 OpenFOAM 기반의 유동-라그랑주 해소기인 RYrhoCentralFoam을 제시한다. 이는 압축성 다성분 기체 유동에 대해 2차 정확도를 갖는 유한체적 이산화법을 적용하고, 라그랑주 입자 추적 및 세부 화학 반응을 결합하여 폭발파 전파, 충격파 구조 및 입자 하위모델을 분석적 및 실험적 데이터와 비교하여 성공적으로 검증하였다.

ABSTRACT

A hybrid Eulerian-Lagrangian solver RYrhoCentralFoam is developed based on OpenFOAM to simulate detonative combustion in two-phase gas-liquid mixtures. For Eulerian gas phase, RYrhoCentralFoam enjoys second order of accuracy in time and space discretizations and is based on finite volume method on polyhedral cells. The following developments are made based on the standard compressible flow solver rhoCentralFoam in OpenFOAM: (1) multi-component species transport, (2) detailed fuel chemistry for gas phase combustion, and (3) Lagrangian solver for gas-droplet two-phase flows and sub-models for liquid droplets. To extensively verify and validate the developments and implementations of the solver and models, a series of benchmark cases are studied, including non-reacting multi-component gaseous flows, purely gaseous detonations, and two-phase gas-droplet mixtures. The results show that the RYrhoCentralFoam solver can accurately predict the flow discontinuities (e.g. shock wave and expansion wave), molecular diffusion, auto-ignition and shock-induced ignition. Also, the RYrhoCentralFoam solver can accurately simulate gaseous detonation propagation for different fuels (e.g. hydrogen and methane), about propagation speed, detonation frontal structures and cell size. Sub-models related to the droplet phase are verified and/or validated against analytical and experimental data. It is also found that the RYrhoCentralFoam solver is able to capture the main quantities and features of the gas-droplet two-phase detonations, including detonation propagation speed, interphase interactions and detonation frontal structures. As our future work, RYrhoCentralFoam solver can also be extended for simulating two-phase detonations in dense droplet sprays.

연구 동기 및 목표

• 이중상 기체-수증기 시스템에서 폭발성 연소를 위한 고정밀도, 오픈소스 수치 프레임워크 개발.
• OpenFOAM의 rhoCentralFoam에 다성분 성분 이동, 세부 화학 동역학, 라그랑주 입자 모델링을 통합하여 확장.
• 충격파, 폭발파 전면 및 상상간 상호작용을 정확히 포착하는 해소기의 정확도 검증 및 검증.
• 수증기 함유 환경에서 수소 및 메탄과 같은 액체 연료 시스템에서의 복잡한 폭발 현상 시뮬레이션 가능.
• 향후 밀도 높은 수증기 분무가 있는 폭발 환경에서의 밀도 높은 수증기 분무 시뮬레이션을 위한 확장 가능하고 스케일러블 도구 제공.

제안 방법

• OpenFOAM 프레임워크 내에서 유동-라그랑주 해소기인 RYrhoCentralFoam 개발.
• 다각형 비정렬 메esh에서 압축성 다성분 기체 유동에 대해 2차 정확도를 갖는 공간 및 시간 이산화법 구현.
• 기체 연소를 위한 다성분 성분 이동 및 세부 화학 기구 통합.
• 수증기 증발, 가열 및 연소를 위한 하위모델을 포함한 라그랑주 입자 해소기 통합.
• 복잡한 기하구조에서의 강건성과 정확도 확보를 위해 비정렬 다각형 세포 기반의 유한체적 방법 사용.
• 비반응 유동, 기체 폭발, 이중상 유동에 대해 분석적 해와 실험 데이터와의 비교를 통한 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RYrhoCentralFoam 해소기는 다성분 기체 혼합물에서 충격파 및 팽창파 불연속성을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ2 해소기는 수소 및 메탄과 같은 기체 연료의 폭발파 전파 속도, 전면 구조 및 세포 크기를 얼마나 잘 포착하는가?
• RQ3 구현된 수증기 하위모델은 증발 및 가열에 대해 분석적 해와 실험 결과를 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ4 해소기는 기체-수증기 이중상 폭발의 주요 특징, 즉 상상간 운동량 및 에너지 이행을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 반응성 혼합물에서 자가ignition 및 충격 유도 ignition 예측 정확도는 어떠한가?

주요 결과

• RYrhoCentralFoam 해소기는 다성분 기체 유동에서 충격파 및 팽창파 불연속성을 2차 정확도로 정확히 예측한다.
• 수소 및 메탄의 폭발파 전파 속도와 전면 구조는 실험 및 이론적 기준값과 양호한 일치를 보인다.
• 기체 폭발의 계산된 세포 크기는 알려진 이론적 값과 잘 일치하여 올바른 파동 구조 해상도를 확인한다.
• 증발 및 가열을 위한 수증기 하위모델은 분석적 해와 실험 데이터와 강한 일치를 보인다.
• 해소기는 상상간 상호작용 및 이중상 폭발의 주요 특징(전파 속도 및 구조 포함)을 성공적으로 포착한다.
• 프레임워크는 강건하고 확장 가능하며, 향후 밀도 높은 수증기 분무 구성에 대한 확장 가능성이 있다.