[논문 리뷰] Eulerian-Lagrangian modelling of rotating detonative combustion in partially pre-vaporized n-heptane sprays with hydrogen addition

Qingyang Meng, Majie Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 06.

Combustion and Detonation Processes참고 문헌 54인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 수소 첨가된 부분 예비기화된 헥세인 연료 분무에서 회전 폭발 연소를 탐구하기 위해 유체역학-라그랑주 수치 모델을 활용한다. 주요 초점은 분무 droplet의 동역학과 폭발파 행동에 있다. 핵심 결과로는 droplet 크기와 예비기화 수준이 폭발 속도(속도 감소 5–30%)와 연료 폭발 효율성에 중대한 영향을 미치며, 약 20 µm의 임계 droplet 크기에서 연료 폭발 비율이 최소화됨을 보여준다.

ABSTRACT

Rotating detonation combustion (RDC) fuelled with partially pre-vaporized n-heptane sprays and gaseous hydrogen is studied with an Eulerian-Lagrangian method. Our focus is the effects of pre-vaporized n-heptane equivalence ratios and droplet diameters on detonation wave propagation and droplet dynamics in two-phase RDC. The results show that when the droplets are small, they are fully vaporized by the detonation wave. However, when the droplet diameter is relatively large and/or the detonation wave number is bifurcated, liquid droplets are observable beyond the refill zone. Moreover, the detonation speed is considerably influenced by the droplet pre-vaporization and diameter. The velocity deficits vary between 5% and 30%. Over 70% n-heptane is detonated in the simulated cases, and there exists a critical droplet diameter (about 20 um), around which the detonated fuel fraction is minimal. Four droplet trajectories in RDC are identified, which are differentiated by various evaporation times, residence times and interactions between droplets and the basic RDC flow structures. Inside the refill zone, three droplet categories are qualitatively identified. Droplets injected at the right end of the refill zone directly interact with the deflagration surface and meanwhile have relatively long residence time. However, droplets injected closer to the travelling detonation front have insufficient time to be heated and vaporized. Our results also demonstrate that when pre-vaporization level is low and initial droplet diameter is large, the liquid fuel droplets may disperse towards the combustor exit. Furthermore, the droplet dispersion height decreases with liquid fuel pre-vaporization, while increases with droplet diameter.

연구 동기 및 목표

• 이중상 회전 폭발 연소에서 예비기화된 헥세인 등가비와 droplet 직경이 폭발파 전파에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• RDC 유동 구조와 관련하여 droplet 동역학, 기화 시간 및 체류 시간을 분석하기 위해.
• 액체 droplet이 리필 존을 초과하여 지속되고 연소 효율성에 영향을 미치는 조건을 규명하기 위해.
• droplet 크기와 예비기화가 폭발 속도와 폭발되는 연료 비율에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• droplet 분포 패턴과 그 초기 droplet 직경 및 예비기화 수준에 대한 의존성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 유체역학적 보존 방정식을 통해 기체 상을 처리하고, 액체 상은 개별 droplet의 라그랑주 추적을 통해 다룬다.
• 열전달 및 droplet과 주변 반응 유동 간 질량 전달을 고려한 D² 법칙을 사용하여 droplet 기화를 모델링한다.
• 반응성 향상을 위해 수소 첨가를 포함한 회전 폭발 연소기 기하구조에서 폭발파 전파를 시뮬레이션한다.
• 이동하는 폭발파 및 리필 존과의 상대적 위치에서 droplet 궤적, 체류 시간 및 기화 진행 상황을 추적한다.
• 다양한 직경과 예비기화 수준에서 헥세인 droplet의 실제 주입 조건을 반영하도록 경계 조건을 설정한다.
• 다양한 운영 조건 하에서 폭발 속도, 폭발되는 연료 비율 및 droplet 분포 높이를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 droplet 직경과 예비기화 수준이 이중상 RDC에서 폭발파 속도와 속도 감소에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 droplet 체류 시간과 기화 지속 시간이 폭발 이전에 droplet이 완전히 기화되는지 여부를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 액체 droplet이 리필 존을 초과하여 지속되는 조건는 무엇이며, 특히 분할 폭발파 제어 영역에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 초기 droplet 직경이 실제로 폭발되는 헥세인 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 지배적인 droplet 분포 패턴은 무엇이며, 예비기화 수준과 droplet 크기에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 예비기화 및 droplet 직경으로 인해 폭발 속도가 크게 감소하며, 조건에 따라 속도 감소율은 5%에서 30%까지 다양하다.
• 모델링 사례에서 70% 이상의 헥세인이 폭발되며, 약 20 µm의 임계 droplet 직경에서 폭발되는 연료 비율이 최소가 된다.
• droplet 직경이 크고 예비기화 수준이 낮을 경우, 열전달과 기화가 부족하여 액체 연료 droplet이 연소기 출구 쪽으로 분포할 수 있다.
• 초기 droplet 직경이 클수록 droplet 분포 높이가 증가하지만, 예비기화 수준이 높을수록 감소한다.
• 기화 시간, 체류 시간 및 타연소파 표면 및 폭발파 전면과의 상호작용에 따라 다섯 가지의 고유한 droplet 궤적을 식별하였다.
• 리필 존에서는 폭발파 전면 근처에 주입된 droplet은 가열 및 기화에 필요한 시간이 부족하며, 오른쪽 끝에 위치한 droplet은 타연소파 표면과 상호작용하여 더 오래 머무른다.