Computational investigation of thermo-diffusive instabilities in flames: from laminar cellular structures to turbulent flows

火焰中热扩散不稳定性的计算研究:从层状细胞结构到湍流

基本信息

  • 批准号:
    1832548
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The propagation of unstable flames is at the center of numerous natural phenomena and engineering applications. Understanding and modeling these unstable flames and how they interact with turbulent flows are of critical importance to designing efficient and clean energy conversion devices, mitigating the risks of accidental explosions, and understanding astrophysical phenomena. This work is to conduct a computational study to reveal a complete picture of the geometry of the near-limit premixed flame front. While the primary focus is on thermo-diffusively unstable flames, the results are expected to shed light onto numerous additional scientific problems. This work will lead to the development of high-fidelity computational models, which will be used for designing and optimizing high-performance combustion systems for propulsion application.Experimental observations and theoretical studies have long pointed out the differences between laminar stable flames and thermo-diffusively unstable flames. Unfortunately, state-of-the-art techniques currently used to simulate large-scale turbulent flames fail to adequately predict the flow field of reacting mixtures that are intrinsically unstable. This work is to quantify the fundamental characteristics that make unstable flames different from their stable counterparts: the size of the cellular structure and the acceleration of the flame front propagation. These two features form the foundation onto which any Large Eddy Simulation (LES) models will be built: they determine the size of the LES filter and control the closure of the chemical source terms. The strength of the proposal relies on considering an extensive range of conditions from 1D spherical flames, to 2D stationary tubular flames, to 3D unstable laminar and turbulent flames. Throughout the analysis, no shortcut of accuracy will be taken, and previously neglected effects (such as Soret/Dufour) will be revisited and included (if necessary). The outcome will be a complete picture of the geometry of the reaction zone, and the proposed work will have important impacts on many natural phenomena and engineering applications: from energy generation to safety to astrophysics.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
不稳定火焰的传播是许多自然现象和工程应用的核心。了解和建模这些不稳定的火焰以及它们如何与湍流相互作用对于设计高效和清洁的能源转换设备、减轻意外爆炸的风险以及理解天体物理现象至关重要。 这项工作旨在进行计算研究,以揭示近极限预混合火焰锋几何结构的完整图像。虽然主要关注的是热扩散不稳定火焰,但研究结果预计将揭示许多其他科学问题。这项工作将导致高保真计算模型的发展,该模型将用于设计和优化推进应用的高性能燃烧系统。实验观察和理论研究早已指出了层流稳定火焰和热扩散火焰之间的差异不稳定的火焰。不幸的是,目前用于模拟大规模湍流火焰的最先进技术无法充分预测本质上不稳定的反应混合物的流场。这项工作旨在量化不稳定火焰与稳定火焰不同的基本特征:蜂窝结构的大小和火焰前沿传播的加速度。这两个特征构成了构建任何大涡模拟 (LES) 模型的基础:它们确定 LES 滤波器的尺寸并控制化学源项的闭合。该提案的优势在于考虑了广泛的条件,从 1D 球形火焰到 2D 静止管状火焰,再到 3D 不稳定层流和湍流火焰。在整个分析过程中,不会采取任何提高准确性的捷径,并且将重新审视并纳入先前被忽视的效应(例如 Soret/Dufour)(如有必要)。结果将是反应区几何形状的完整图景,拟议的工作将对许多自然现象和工程应用产生重要影响:从能源产生到安全再到天体物理学。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并被认为是值得的通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估来获得支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A cost-effective semi-implicit method for the time integration of fully compressible reacting flows with stiff chemistry
一种经济有效的半隐式方法,用于对具有刚性化学的完全可压缩反应流进行时间积分
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2020.109479
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Beardsell, Guillaume;Blanquart, Guillaume
  • 通讯作者:
    Blanquart, Guillaume
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一种快速、低内存且稳定的算法,用于在直接数值模拟中实现多组分传输
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2019.109185
  • 发表时间:
    2018-07-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aaron J. Fillo;Jason Schlup;Guillaume Beardsell;G. Blanquart;Kyle E. Niemeyer
  • 通讯作者:
    Kyle E. Niemeyer
Framework for simulating stationary spherical flames
模拟静止球形火焰的框架
  • DOI:
    10.1016/j.proci.2020.06.013
  • 发表时间:
    2024-09-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    F. Ruiz;Guillaume Beardsell;G. Blanquart
  • 通讯作者:
    G. Blanquart
Assessing the impact of multicomponent diffusion in direct numerical simulations of premixed, high-Karlovitz, turbulent flames
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  • DOI:
    10.1016/j.combustflame.2020.09.013
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Fillo, Aaron J.;Schlup, Jason;Blanquart, Guillaume;Niemeyer, Kyle E.
  • 通讯作者:
    Niemeyer, Kyle E.
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    Alexandra Baumgart;Guillaume Blanquart
  • 通讯作者:
    Guillaume Blanquart
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Guillaume Blanquart

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