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．

我们开发了超临界燃烧模拟（CFD）技术，这是这项研究的基础。该分析技术的一个特点是，除了热物理性质和输运性质模型之外，还导出了传统研究中未考虑的化学反应速率的非理想模型。我们实施并评估了该模型，并在国际会议上以同行评审论文的形式展示了结果。关于在湍流燃烧现象中重要的化学反应项LES模型的开发，考虑到在该现象中被认为重要的火焰伸长率效应的新火焰模型（LTF）基于模型我们继续研究和开发LTF-X）。该模型基于使用马克斯坦长度连接燃烧速度和火焰伸长率之间关系的理论公式，并构造了新的剩余项，以便将直接数值分析（DNS）的结果作为参考解即使在粗糙的网格上也可以重现，这是一个前所未有的模型，将其添加到控制方程中。迄今为止，我们已经确认LTF-X模型即使在粗网格上也可以通过氢气-空气预混物的圆柱传播火焰和涡平面火焰干涉问题等燃烧流场再现DNS解（火焰传播速度和火焰形状）。做过。另外，在与海外联合研究人员的互动中，我们也在考虑开发更高水平的多相燃烧CFD技术的可能性，不仅包括超临界压力状态，还包括亚临界压力状态（气相和液相）。基于超临界压力燃烧CFD技术的考虑气液平衡的模型。吉布斯自由能决定状态是单相还是气液多相状态，并对流体接触面的状态进行建模。气液平衡模型的实现已经基本完成，即使在超临界压力条件下，之前被视为单相，也可以出现气液多相状态，并且通过考虑气液平衡条件，密度、声速等。我们发现热物理性质发生了变化。这可以说表明了将超临界压力状态作为单相进行分析的极限。