[논문 리뷰] MVP-Workshop Contribution: Modeling of Volvo Bluff Flame Experiment and Comparison of Finite-Volume and Discontinuous-Galerkin Schemes

Hao Wu, Peter Ma외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Volvo 불꽃 블라피바디에 의한 화염 안정화를 대표하는 균일한 예혼합 연소 구성에서 대규모 유동 해석(Les)을 위한 유한체적(FV) 및 비연속-갈레르킨(DG) 고차수 수치 스킴을 비교한다. 고해상도에서 두 솔버 모두 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, DG의 2차 다항식(DGP2) 및 FV의 2 mm 메시 해상도에서 최고 성능를 보였다. 이는 화염 안정성 예측을 위한 난류-combustion 상호작용 모델링의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

The Volvo burner features the canonical configuration of a bluff-body stabilized premixed flame. This configuration was studied experimentally under the Volvo Flygmotor AB program. Two cases are considered in this study: a non-reacting case with an inlet flow speed of 16.6 m/s and a reacting case with equilibrium ratio of 0.65 and inflow speed of 17.3 m/s. The characteristic vortex shedding in the wake behind the bluff body is present in the non-reacting case, while two oscillation modes are intermittently present in the reacting case. A series of large-eddy simulations are performed on this configuration using two solvers, one using a high-resolution finite-volume (FV) scheme and the other featuring a high-order discontinuous-Galerkin (DG) discretization. The FV calculations are conducted on hexahedral meshes with three different resolution (4mm, 2mm, and 1mm). The DG calculations are performed using two different polynomial orders on the same tetrahedral mesh. For the non-reacting cases, good agreement with respect to the experimental data is achieved by both solvers at high numerical resolution. The reacting cases are calculated using a two-step global mechanism in combination with the thickened-flame model. Reasonable agreement with experiments is obtained by both solvers at higher resolution. Models for combustion-turbulence interaction are necessary for the reacting case as it contains the length scale of the flame, which is smaller than the grid resolution in all calculations. The impact of such models on the flame stability and flow/flame dynamics is the subject of future research.

연구 동기 및 목표

• 기본적인 블라피바디에 의한 화염 안정화 화염에서 고차수 비연속-갈레르킨(DG) 및 고해상도 유한체적(FV) 스킴의 성능 평가.
• 수치离산화가 반응성 및 비반응성 유동에서 비정상적인 유동 및 화염 역학 예측에 미치는 영향 평가.
• 소규모 스케일에서 화염 구조를 해소하는 데 있어 난류-연소 상호작용 모델의 역할 조사.
• 속도 및 스칼라 통계에 대한 광범위한 실험 데이터와의 비교를 통한 시뮬레이션 결과 평가.
• 연소 불안정성 정확한 LES 예측을 위한 최적의 수치 해상도 및 스킴 선택 식별.

제안 방법

• 대규모 유동 해석(Les) 시뮬레이션은 두 개의 솔버를 사용하여 수행되었으며, 하나는 고해상도 유한체적(FV) 이산화 방식에 기반하고, 다른 하나는 고차수 비연속-갈레르킨(DG) 스킴을 사용하였다.
• FV 솔버는 3개의 해상도에서 정렬된 육면체 메시를 사용하였으며, 각각 4 mm, 2 mm, 1 mm였다.
• DG 솔버는 다항식 순서가 1(DGP1) 및 2(DGP2)인 비정렬 삼각형 메시를 사용하였다.
• 반응성 케이스에서 연소 화학을 표현하기 위해 두 단계 전역 화학 메커니즘과 두꺼운 화염 모델이 적용되었다.
• 두 솔버 전반에 걸쳐 해상도가 없는 척도를 고려하기 위해 일관된 미소 스케일(SGS) 난류 모델링이 적용되었다.
• 시뮬레이션은 Volvo 시험 랙의 평균 속도, RMS 변동 및 스칼라 통계를 포함한 실험 데이터와 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고차수 DG 및 고해상도 FV 스킴은 블라피바디에 의한 화염 안정화 화염의 비정상적인 유동 및 화염 역학을 예측하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ2 수치 해상도 및 스킴 순서는 이 기본 연소 구성에서 LES 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 메시 해상도에서 난류-연소 상호작용 모델은 화염 안정성 및 유동 구조에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 더 높은 다항식 순서(DGP2)를 가진 DG 스킴은 낮은 순서의 FV 또는 DG 방법보다 실험 데이터와 더 잘 일치하는가?
• RQ5 왜 두 솔버 모두에서 메시 수렴이 이루어지지 않았으며, 소규모 스케일 모델은 이 제한 요인에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비반응 케이스에서 FV 솔버는 2 mm 해상도에서 실험 데이터와 가장 좋은 일치를 보였으며, 소용돌이 분리 및 평균 유속 프로파일을 잘 포착하였다.
• 비반응 케이스에서 DG 솔버는 DGP2가 DGP1보다 평균 및 변동 속도 성분을 더 잘 예측하였다.
• 반응 케이스에서 DGP2는 DGP1에 비해 축방향 속도 및 온도 프로파일을 더 뛰어나게 예측하였으며, 특히 화염 영역 근처에서 그러한 경향이 뚜렷하였다.
• 두 솔버 모두 후류 영역의 역류를 과소 예측하였지만, DGP2는 후류에서 속도 기울기를 더 잘 유지하였다.
• DGP2 해법은 중심선을 따라 평형 화염 온도를 정확히 예측하였고, DGP1은 화학 소스 항의 해상도가 열악하여 이를 과대 예측하였다.
• 두 솔버 모두에서 메시 수렴이 이루어지지 않았으며, 이는 현재 해상도에서 난류-연소 상호작용에 대한 소규모 스케일 모델이 결과에 중대한 영향을 미친다는 것을 시사한다.