[论文解读] Multi-component vapor-liquid equilibrium model for LES and application to ECN Spray A

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

Combustion and flame dynamics参考文献 2被引用 18

一句话总结

本论文提出了一种完全保守的、多组分气液平衡模型，用于高压力湍流喷雾中液态燃料的大涡模拟（LES），并具体应用于ECN Spray A基准案例。该模型准确捕捉了超临界与亚临界两相共存状态，解决了单相方法中常见的数值不稳定性问题，并在蒸气穿透深度和类似施莱伦（schlieren）结构方面与实验数据高度吻合。

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.

研究动机与目标

• 解决现有LES模型在高压力液态燃料喷射中的局限性，特别是在超临界和跨临界区域的应用。
• 克服单相致密气体模型在涡核发展过程中因出现非物理解状态而引发的数值不稳定性。
• 开发一种物理解释一致的、多组分两相热力学平衡模型，能够处理亚临界与超临界状态共存的情况。
• 比较在高压力流场LES中，控制方程的完全保守（FC）与准保守（QC）公式在物理一致性和能量守恒方面的表现。
• 在ECN Spray A基准案例中，准确预测蒸气穿透深度、温度场与压力场。

提出的方法

• 以完全保守（FC）形式构建可压缩多组分N-S方程，保持质量、动量、能量与组分守恒。
• 采用压力演化方程（PEVO）实现准保守（QC）公式，以降低计算成本，同时保持稳定性。
• 结合立方状态方程（EoS）与气液平衡（VLE）计算，模拟多组分混合物中的相共存行为。
• 使用Fick定律与有效二元扩散系数计算混合物中的组分通量，考虑组分依赖的扩散效应。
• 在计算单元内求解等容等内能闪蒸问题，以确定局部条件下各相的分数与热力学状态。
• 在6 MPa、363 K的正十二烷喷射条件下，将模型应用于900 K氮气环境中的ECN Spray A案例，采用高保真LES在细网格上求解。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单相致密气体模型相比，完全保守的多组分两相热力学模型是否能显著提升超临界喷雾流LES中的数值稳定性？
• RQ2 在实际LES网格上，完全保守（FC）与准保守（QC）公式在物理一致性与能量守恒方面表现如何比较？
• RQ3 引入多组分VLE与相共存行为后，对ECN Spray A基准案例中蒸气穿透深度与流场结构预测的改善程度如何？
• RQ4 QC公式中的能量守恒误差对高压湍流混合中温度与压力预测的影响是什么？
• RQ5 该模型是否能在不依赖拉格朗日粒子追踪或简化单相假设的前提下，准确复现实验的施莱伦图像与蒸气穿透轨迹？

主要发现

• 完全保守（FC-EQ）LES模型在ECN Spray A案例中成功模拟，即使在涡核内低气压区域也未出现数值不稳定性。
• 模型对蒸气穿透深度的预测与实验施莱伦数据高度一致，尤其在0.8 ms以内，后期仅出现轻微高估。
• 基于轴向密度梯度的数值施莱伦图像与实验施莱伦图像高度相似，验证了模型捕捉流场结构的能力。
• 1%混合物分数阈值在长期演化中显著低估蒸气穿透深度，与基于施莱伦的测量结果相比，因此不推荐使用。
• 在细网格上，FC与QC公式收敛至相同解，证实了物理与数值的一致性；但QC公式在粗网格上因能量守恒误差导致显著温度高估。
• 由于涡环形成，射流喷嘴尖端的局部压力下降至约3 MPa，显著偏离名义6 MPa工作压力，凸显了对鲁棒两相热力学模型的迫切需求。