詳細反応機構-超臨界圧燃焼LES解析を可能とする乱流燃焼モデルの開発

详细反应机理 - 开发可实现超临界压力燃烧 LES 分析的湍流燃烧模型

基本信息

批准号：
21KK0250
负责人：
寺島洋史
金额：
$ 7.74万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022 至 2024
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の基盤となる超臨界圧燃焼シミュレーション（CFD）技術を開発した．解析技術の特徴は，熱物性，輸送物性モデルに加えて，従来研究では考慮されない化学反応率に対する非理想性モデルを導出したことにある．モデル実装および評価を実施し，国際会議および査読論文として成果発表を行った．乱流燃焼現象で重要となる化学反応項LESモデル開発については，火炎帯を人工的に厚くするモデル（LTF）をベースとし，現象で重要と考えられる火炎伸張率効果を考慮した新しい火炎モデル（LTF-X）の研究開発を進めた．本モデルは，燃焼速度と火炎伸張率の関係をMarkstein長さで結びつける理論式に基づいたもので，参照解となる直接数値解析（DNS）の結果を粗い格子でも再現できるよう新しい余剰項を構築し支配方程式に加えるこれまでに無いモデルである．現在までに，水素空気予混合気の円筒伝播火炎および渦-平面火炎干渉問題といった燃焼流れ場を通して，粗い格子においてもLTF-XモデルがDNS解（火炎伝播速度や火炎形状）を再現できることを確認した．また，海外共同研究者とのやり取りにおいて，超臨界圧状態に限定することなく，亜臨界圧状態（気相と液相）を含む，一段高いレベルとなる多相燃焼CFD技術開発を行うことも進めており，超臨界圧燃焼CFD技術をベースに気液平衡を考慮したモデル開発を行った．ギブス自由エネルギーにより単相か気液混相状態となるかを判断し，流体接触面の状態をモデリングするものである．気液平衡モデルの実装はほぼ完了し，従来は単相として扱っていた超臨界圧条件においても気液混相状態になり得ることがあり，気液平衡条件を考慮することで密度や音速などの熱物性値が変化することを見出した．これは超臨界圧状態を単相として解析することの限界を示すものといえる．

我们开发了一种超临界压力燃烧模拟（CFD）技术，该技术是这项研究的基础。分析技术的特征在于，除了热物理性能和运输特性模型外，它还为化学反应速率提供了非理想的模型，这在先前的研究中未考虑。进行了模型实施和评估，并将结果作为国际会议和同行评审的论文提出。在在湍流燃烧现象中很重要的LES模型的开发中，我们基于人为增强火焰带（LTF）的模型进行了新的火焰模型（LTF-X）的研究和开发，并考虑了火焰扩展率效应，这在现象中很重要。该模型基于理论方程，该方程将燃烧速度与火焰扩展率之间的关系按马克斯坦长度联系起来，是一个前所未有的模型，可以在该模型中构建新的盈余项以复制直接数值分析（DNS）的结果，即使在粗链条中也可以将其复制到粗链条中，并将其添加到副唱片中。迄今为止，我们已经证实，即使在粗糙的晶格中，LTF-X模型也可以通过燃烧流场（例如圆柱传播火焰以及氢气空气预制液中的涡流传播火焰和涡流平面火焰干扰问题）来重现DNS溶液（侧翼速度和火焰形状）。此外，在与海外合作者的互动中，我们还努力开发多相燃烧CFD技术，该技术较高，包括亚临界压力状态（气相和液体相），而不仅限于超临界压力状态，而且我们已经开发了一种基于超临界压力燃烧技术的模型，该模型考虑了气体含量均衡。 Gibbs自由能确定该相是单相还是气体混合相，并建模流体接触表面的状态。气液平衡模型的实施几乎已经完成，并且已经发现，即使在超临界压力条件下，气体液体混合相也可以在以前被视为单个相处，并且在考虑气体平衡条件时的密度和声速等热性能变化。可以说这表明将超临界压力状态分析为单一阶段的局限性。