[论文解读] LES of a non-premixed hydrogen flame stabilized by bluff-bodies of various shapes

Agnieszka Wawrzak, Robert Kantoch+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Combustion and flame dynamics被引用 2

一句话总结

本研究采用大涡模拟（LES）结合两阶段计算方法——使用 ANSYS Fluent 建模入口流场，再利用自主研发的高阶代码求解燃烧过程——研究不同形状（圆柱形、方形、星形）和壁面构型（平滑、波纹）的钝体对非预混氢火焰的稳定作用。主要发现为：方形和星形钝体显著增强混合与火焰温度，其中方形钝体使峰值火焰温度较传统锥形结构提高近 200 K，同时将回流区长度缩短 15%。

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.

研究动机与目标

• 研究钝体几何形状与壁面构型对非预混氢燃烧中火焰稳定与混合的影响。
• 量化非圆形钝体中锐角对湍流混合与火焰动力学的影响。
• 评估波纹壁面构型对流动结构与火焰特性的影响，与平面壁面进行对比。
• 分析回流区与氧化剂射流之间剪切层中大尺度涡旋对火焰结构的塑造作用。
• 评估结合 ANSYS Fluent 与自主研发高阶代码的两阶段 LES 模拟方法在精确燃烧建模中的性能。

提出的方法

• 采用两阶段 LES 方法：首先使用 ANSYS Fluent 对复杂钝体几何周围的初始流场进行模拟，随后利用自主研发的高阶代码（SAILOR）进行详细的燃烧求解。
• 在低马赫数近似下采用 Favre 滤波控制方程，对可压缩、反应流进行建模，包含亚格子尺度（SGS）应力与扩散通量建模。
• 对化学源项采用“无模型”方法，直接从滤波变量计算，避免使用经验燃烧模型。
• 采用氮气稀释氢气作为燃料，热空气作为氧化剂，自燃发生在钝体下游。
• 针对三种钝体形状（圆柱形、方形、星形）与两种壁面构型（平滑、波纹）进行模拟，以对比火焰与流动结构。
• 分析瞬时与时间平均的流动与火焰场，重点关注速度、温度及物种质量分数分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 钝体形状（圆柱形、方形、星形）如何影响非预混氢火焰的形成与稳定？
• RQ2 与传统锥形结构相比，非圆形钝体中的锐角在多大程度上增强湍流混合与火焰温度？
• RQ3 壁面构型（平滑 vs. 波纹）如何影响钝体附近流动结构与火焰动力学？
• RQ4 钝体几何形状如何影响主回流区及其相关涡旋的尺寸与结构？
• RQ5 不同钝体构型下温度与速度脉动如何变化，其反映的火焰稳定性和混合效率有何差异？

主要发现

• 与传统锥形结构相比，方形钝体构型使主回流区长度缩短约 15%。
• 在轴向位置 𝑦/𝐷𝑏 = 1.5 处，方形钝体构型的中心线上峰值火焰温度较圆柱形或星形构型高出近 200 K。
• 方形钝体诱导更强的氧化剂卷吸，导致燃料消耗更快，形成更紧凑、更集中于中心的火焰结构。
• 温度脉动（RMS）在方形钝体构型中显著更高，靠近入口平面的值较圆柱形构型高出 40 K。
• 方形与星形构型的火焰结构明显向燃料射流方向偏移，表明锐角处涡旋生成增强了混合。
• 波纹壁面构型对火焰动力学的影响微乎其微，仅局部影响入口附近流动结构，对下游火焰特性几乎无影响。