[논문 리뷰] Multi-component vapor-liquid equilibrium model for LES and application to ECN Spray A

Jan Matheis, Stefan Hickel|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 2인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 고압 터뷸런스 혼합을 위한 대류형 난류 해석(LES)을 위한 완전 보존형 다성분 기체-액체 평형 모델을 제시한다. 이는 ECN Spray A 기준 시험에 특별히 적용되었으며, 초임계 및 임계 이하의 두상 상태가 동시에 존재하는 것을 정확히 포착하여 단상 밀도 기반 모델에서 흔히 발생하는 수치적 불안정성을 해결하고, 실험 데이터와 뛰어난 일치도를 보이며 증기 침투도와 슈릴레인 유사 구조를 정확히 예측한다.

ABSTRACT

We present and evaluate a detailed multi-species two-phase thermodynamic equilibrium model for large-eddy simulations (LES) of liquid-fuel injection and mixing at high pressure. The model can represent the coexistence of supercritical states and multi-component subcritical two-phase states. LES results for the transcritical Spray A of the Engine Combustion Network (ECN) are found to agree very well to available experimental data. We also address well-known numerical challenges of trans- and supercritical fluid mixing and compare a fully conservative formulation to a quasi conservative formulation of the governing equations. Our results prove physical and numerical consistency of both methods on fine grids and demonstrate the effects of energy conservation errors associated with the quasi conservative formulation on typical LES grids.

연구 동기 및 목표

• 고압 액체 연료 분사에 대한 기존 LES 모델의 한계, 특히 초임계 및 초임계 이하 상태에서의 문제점을 해결한다.
• 소용돌이 핵 형성 과정에서 단상 밀도 기반 기체 모델이 물리적으로 비합리한 상태를 유도하는 수치적 불안정성을 극복한다.
• 서로 다른 임계 이하 및 초임계 상태가 동시에 존재하는 경우를 다룰 수 있는 물리적으로 일관된 다성분 이상태 열역역학 평형 모델을 개발한다.
• 고압 유동에 대한 LES에서 완전 보존(FC) 및 준보존(QC) 공식화 방식의 성능을 비교한다.
• ECN Spray A 기준 시험에서 증기 침투도, 온도 및 압력장 예측의 정확성을 확보한다.

제안 방법

• 질량, 운동량, 에너지 및 성분 보존을 유지하는 완전 보존(FC) 형태의 압축성 다성분 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 방정식을 수립한다.
• 계산 비용을 줄이면서도 안정성을 유지하기 위해 압력 변화 방정식(PEVO)을 사용한 준보존(QC) 공식화를 구현한다.
• 기체-액체 평형(VLE) 계산과 함께 삼차 상태 방정식(EoS)을 통합하여 다성분 혼합물의 상 공존을 모델링한다.
• 성분에 따라 변화하는 확산을 고려하기 위해 피크의 법칙과 효과적 이성분 확산 계수를 사용하여 혼합물 내 성분 확산 유량을 계산한다.
• 계산 격자 내에서 등적-등내부 상태의 플래시 문제를 해결하여 국소 조건에서 상 분율 및 열역학 상태를 결정한다.
• 6 MPa 및 363 K에서 n-도데칸을 주입하고 900 K의 질소 대기 중에서 고해상도 LES를 사용하여 ECN Spray A 사례를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전 보존형 다성분 이상태 열역학 모델이 단상 밀도 기반 모델에 비해 초임계 분사 유동의 LES에서 수치적 안정성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 실제 LES 격자에서 완전 보존(FC) 및 준보존(QC) 공식화 방식 간의 물리적 일관성과 에너지 보존 특성은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다성분 VLE 및 상 공존을 고려한 모델이 ECN Spray A 기준 시험에서 증기 침투도 및 유동 구조 예측에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 준보존 공식화에서의 에너지 보존 오류가 고압 난류 혼합에서 온도 및 압력 예측에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 라그랑주 입자 추적 기법이나 단순화된 단상 가정 없이도 모델이 실험적 슈릴레인 영상과 증기 침투 경로를 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 완전 보존(FC-EQ) LES 모델은 소용돌이 핵 내 저압 영역에서도 수치적 불안정 없이 ECN Spray A 사례를 성공적으로 시뮬레이션한다.
• 실험적 슈릴레인 데이터와의 비교에서 증기 침투 깊이 예측이 매우 우수한 일치도를 보이며, 특히 0.8 ms 이하에서는 뛰어난 일치를 보이며 후속 시간대에는 약간의 과대 예측이 발생한다.
• 축 방향 밀도 기울기를 기반으로 한 수치적 슈릴레인 영상은 실험적 슈릴레인 영상과 놀랄 정도로 유사한 구조를 보이며, 모델이 흐름의 구조를 정확히 포착할 수 있음을 검증한다.
• 혼합분율 1% 기준은 장기적인 진화에서 슈릴레인 기반 측정보다 증기 침투도를 과소 예측하므로 권장되지 않는다.
• FC 및 QC 공식화는 미세 격자에서 동일한 해에 수렴하여 물리적 및 수치적 일관성을 확인하지만, 더 넓은 LES 격자에서는 에너지 보존 오류로 인해 온도 과대 예측이 심각하게 발생한다.
• 저류가 소용돌이 고리 형성으로 인해 제트 끝부분의 국소 압력이 약 3 MPa로 감소하여 명시된 6 MPa 운영 압력과의 큰 이격을 보이며, 강력한 이중상 열역역학 모델의 필요성을 강조한다.