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

Zhiwei Huang, Majie Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2020

Combustion and Detonation Processes参考文献 38被引用 8

一句话总结

本文提出 RYrhoCentralFoam，一个基于 OpenFOAM 的欧拉-拉格朗日求解器，用于模拟两相气液滴混合物中的爆轰燃烧。该求解器结合了压缩多组分气体流动的二阶精度有限体积离散化方法与拉格朗日液滴追踪及详细化学反应机制，成功地将爆轰传播、激波结构及液滴亚模型与解析解和实验数据进行了验证。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高保真度、开源的计算框架，用于模拟两相气液滴系统中的爆轰燃烧。
• 在 OpenFOAM 的 rhoCentralFoam 基础上扩展多组分物种输运、详细化学反应动力学及拉格朗日液滴建模功能。
• 验证和确认求解器在捕捉激波、爆轰阵面及相间相互作用方面的准确性。
• 实现对液态燃料系统中复杂爆轰现象的模拟，例如氢气和甲烷在含液滴环境中的行为。
• 提供一种可扩展且可扩展的工具，以支持未来对密集液滴喷雾在爆轰环境中的研究。

提出的方法

• 在 OpenFOAM 框架内开发 RYrhoCentralFoam 作为混合欧拉-拉格朗日求解器。
• 在多边形非结构化网格上实现欧拉气体相的二阶精度空间与时间离散化。
• 引入多组分物种输运及气相燃烧的详细化学反应机理。
• 集成拉格朗日粒子求解器，并包含液滴蒸发、加热及燃烧的亚模型。
• 采用非结构化多边形单元上的有限体积法，以确保在复杂几何结构中的鲁棒性与精度。
• 通过非反应流、气相爆轰及两相流的解析解与实验数据对求解器进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 RYrhoCentralFoam 求解器能否准确预测多组分气流中激波与膨胀波不连续性？
• RQ2 该求解器在预测氢气和甲烷等气态燃料的爆轰传播速度、阵面前沿结构及细胞尺寸方面表现如何？
• RQ3 所实现的液滴亚模型在蒸发与加热行为方面，与实验和解析解的吻合程度如何？
• RQ4 该求解器能否模拟气液滴两相爆轰的关键特征，包括相间动量与能量传递？
• RQ5 该求解器在预测反应混合物中自燃及激波诱导点火方面的精度如何？

主要发现

• RYrhoCentralFoam 求解器以二阶精度准确预测了多组分气流中激波与膨胀波不连续性。
• 氢气和甲烷的爆轰传播速度及阵面前沿结构与实验和理论基准结果高度一致。
• 气相爆轰的计算细胞尺寸与已知理论值吻合良好，证实了波结构的正确解析能力。
• 蒸发与加热的液滴亚模型与解析解及实验数据表现出高度一致性。
• 求解器成功捕捉了相间相互作用及两相爆轰的主要特征，包括传播速度与结构。
• 该框架具有鲁棒性与可扩展性，未来可进一步拓展至密集液滴喷雾配置的模拟。