[논문 리뷰] LES of a non-premixed hydrogen flame stabilized by bluff-bodies of various shapes

Agnieszka Wawrzak, Robert Kantoch외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 17.

Combustion and flame dynamics인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 대규모 난류 시뮬레이션(Les)을 사용하여, 두 단계의 계산적 접근 방식—ANSYS Fluent를 통한 유입장 흐름 모델링과 내부 고차원 코드를 통한 연소 해석—을 통해 다양한 형상(원통형, 정사각형, 별형)과 벽 표면 구조(평탄형, 파형)를 가진 불투명체에 의해 안정화되는 비예초 수소flame을 연구한다. 주요 발견은 정사각형 및 별형 불투명체가 혼합과flame 온도를 크게 향상시키며, 기존의 원뿔형 형상에 비해 정사각형 불투명체는 최고flame 온도를 약 200K 높이고 난류 순환 영역을 15% 단축시킨다는 것이다.

ABSTRACT

Dynamics of flames stabilized downstream of different shape bluff-bodies (cylindrical, square, star) with different wall topologies (flat, wavy) is investigated using large-eddy simulations (LES). A two-stage computational procedure involving the ANSYS software and an in-house academic high-order code is combined to model a flow in the vicinity of the bluff-bodies and a flame formed downstream. The fuel is nitrogen-diluted hydrogen and the oxidizer is hot air in which the fuel auto-ignites. After the ignition, the flame propagates towards the bluff-body surfaces and stabilizes in their vicinity. It is shown that the flames reflect the bluff-body shape due to large-scale strong vortices induced in the shear layer formed between the main recirculation zone and the oxidizer stream. The influence of the acute corners of the bluff-bodies on the flame dynamics is quantified by analysing instantaneous and time-averaged results. Compared to the classical conical bluff-body the largest differences in the temperature and velocity distributions are observed in the configuration with the square bluff-body. The main recirculation zone is shortened by approximately 15% and at its end temperature in the axis of the flame is almost 200~K larger. Simultaneously, their fluctuations are slightly larger than in the remaining cases. The influence of the wall topology (flat vs. wavy) in the configuration with the classical conical bluff-body turned out to be very small and it resulted in modifications of the flow and flame structures only in the direct vicinity of the bluff-body surface.

연구 동기 및 목표

• 비예초 수소 연소에서 불투명체 형상과 벽 표면 구조가flame 안정성과 혼합에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비원형 불투명체의 날카로운 모서리가 난류 혼합과flame 역학에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 파형 벽 표면 구조가 평탄한 벽에 비해 유동 구조와flame 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 난류 순환 영역과 산화제 유량 사이의 시선층에서 대규모 소용돌이가flame 구조를 어떻게 형성하는지 분석하기 위해.
• ANSYS Fluent와 내부 고차원 코드를 조합한 두 단계의 LES 시뮬레이션 접근 방식이 정확한 연소 모델링에 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 두 단계의 LES 접근 방식을 적용: 복잡한 불투명체 형상 주변의 유동 시뮬레이션을 위해 ANSYS Fluent를 사용하고, 이후 고차원 코드(SAILOR)를 사용해 세부적인 연소 해석을 수행.
• 저마하 수준 근사 하에서 Favre-필터링된 운동방정식을 사용하여 압축성 반응 유동을 모델링하고, 미세구조 스케일(SGS) 응력과 확산 플럭스 모델링을 적용.
• 화학 소스 항목에 대해 '모델 없음' 접근 방식을 적용하여, 필터링된 변수에서 직접 계산함으로써 경험적 연소 모델을 회피.
• 질소로 희석된 수소를 연료로, 뜨거운 공기를 산화제로 사용하며, 자동 ignitions가 불투명체 후단에서 발생하도록 설정.
• 세 가지 불투명체 형상(원통형, 정사각형, 별형)과 두 가지 벽 표면 구조(평탄형, 파형)를 대상으로flame 및 유동 구조를 비교하기 위해 시뮬레이션 수행.
• 순간 및 시간 평균 유동 및flame 필드를 분석하여, 속도, 온도, 종분 질량 분율 분포에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불투명체 형상(원통형, 정사각형, 별형)이 비예초 수소flame의 형성과 안정화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비원형 불투명체의 날카로운 모서리가 기존의 원뿔형 형상에 비해 난류 혼합과flame 온도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 벽 표면 구조(평탄형 대비 파형)가 불투명체 근처의 유동 구조와flame 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 불투명체 형상이 주요 난류 순환 영역의 크기와 구조, 관련 소용돌이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 불투명체 형상에서 온도 및 속도 변동성이 어떻게 달라지며, 이는flame 안정성과 혼합 효율성에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 정사각형 불투명체 형상은 기존의 원뿔형에 비해 주요 난류 순환 영역을 약 15% 단축시켰다.
• 축방향 위치 𝑦/𝐷𝑏 = 1.5에서 중심선 상의 최고flame 온도는 정사각형 불투명체 케이스에서 원통형 또는 별형 형상에 비해 약 200K 높았다.
• 정사각형 불투명체는 산화제의 강한 유입을 유도하여 연료 소모 속도를 높이고 더 컴act하고 중심에 위치한flame 구조를 형성했다.
• 온도 변동성(rms)은 정사각형 불투명체 케이스에서 유의미하게 높았으며, 원통형 케이스에 비해 입구 평면 근처에서 약 40K 높았다.
• 정사각형 및 별형 형상의flame 구조는 연료 유량 쪽으로 눈에 띄게 이동되어 있었으며, 날카로운 모서리에서 소용돌이 형성이 강화되어 혼합이 향상된 것으로 나타났다.
• 파형 벽 표면 구조의flame 역학에 대한 영향은 미미하였으며, 주로 입구 근처의 국소적 유동 구조에만 영향을 미치고, 하流flame 특성에 거의 영향을 주지 않았다.