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

Hao Wu, Peter Ma+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Combustion and flame dynamics参考文献 31被引用 4

一句话总结

本研究比较了有限体积法（FV）与间断伽辽金法（DG）高阶数值格式在大型涡模拟（LES）中的应用，针对沃尔沃钝体稳燃火焰这一典型贫燃预混燃烧构型。在高分辨率下，两种求解器均与实验数据具有良好一致性，其中DG法采用二阶多项式（DGP2）和FV法采用2 mm网格分辨率时表现最佳，凸显了湍流-燃烧相互作用建模在火焰稳定性预测中的重要性。

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.

研究动机与目标

• 评估高阶间断伽辽金（DG）与高分辨率有限体积（FV）格式在典型钝体稳燃火焰LES模拟中的性能。
• 评估数值离散化对预测反应流与非反应流中非定常流场与火焰动力学的影响。
• 研究湍流-燃烧相互作用模型在亚格子尺度上解析火焰结构的作用。
• 将模拟结果与沃尔沃试验装置的广泛实验数据（包括速度与标量统计量）进行对比。
• 识别实现燃烧不稳定性LES准确预测的最优数值分辨率与格式选择。

提出的方法

• 采用两种求解器进行LES模拟：一种基于高分辨率有限体积（FV）离散化，另一种基于高阶间断伽辽金（DG）格式。
• FV求解器使用三种分辨率的结构化六面体网格：4 mm、2 mm 和 1 mm。
• DG求解器使用非结构化四面体网格，多项式阶次分别为1阶（DGP1）与2阶（DGP2）。
• 在反应流情况下，采用两步全局化学机理结合加厚火焰模型以表征燃烧化学。
• 两种求解器均一致应用亚格子尺度（SGS）湍流模型，以考虑未解析尺度的影响。
• 模拟结果与实验数据进行验证，包括沃尔沃试验装置中的平均速度、RMS脉动分量及标量统计量。

实验结果

研究问题

• RQ1 高阶DG与高分辨率FV格式在预测钝体稳燃火焰非定常流场与火焰动力学方面表现如何？
• RQ2 数值分辨率与格式阶次对这一典型燃烧构型LES预测精度的影响如何？
• RQ3 在当前网格分辨率下，湍流-燃烧相互作用模型在多大程度上影响火焰稳定性与流场结构？
• RQ4 高阶多项式DG格式（如DGP2）是否能比低阶FV或DG方法获得更优的实验数据一致性？
• RQ5 为何两种求解器均未实现网格收敛？亚格子模型在此局限性中扮演何种角色？

主要发现

• 在非反应流情况下，FV求解器在2 mm分辨率下与实验数据一致性最佳，准确捕捉了涡旋脱落与平均流场分布。
• 在非反应流情况下，DG求解器采用二阶多项式（DGP2）在预测平均与脉动速度分量方面优于一阶多项式（DGP1）。
• 在反应流情况下，DGP2在预测轴向速度与温度分布方面表现更优，尤其在火焰区域附近。
• 两种求解器均低估了回流区的逆流，但DGP2在下游更准确地保持了速度梯度。
• DGP2解准确预测了中心线上平衡火焰温度，而DGP1因对化学源项分辨率不足而高估了该温度。
• 两种求解器均未实现网格收敛，表明当前分辨率下，湍流-燃烧相互作用的亚格子模型对结果具有显著影响。