Моделирование эксперимента ONERA с дозвуковым предварительно перемешанным турбулентным горением в канале с обратным уступом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается предварительно перемешанное дозвуковое турбулентное горение метано-воздушной смеси в канале с обратным уступом (P. Magre и др., ONERA, 1975–1989). В экспериментах воспроизведены базовые физические механизмы, характерные для процессов горения в газотурбинных установках. Дан краткий обзор предыдущих работ по численному моделированию этих экспериментов. Представлены новые результаты численного исследования режима стабилизированного горения в данной экспериментальной установке. Описан выбор модели турбулентности и ее влияние на структуру течения. Несколько подходов к описанию турбулентного горения из класса PaSR (Partially Stirred Reactor – модели реактора частичного перемешивания) сравниваются с квазиламинарным подходом. Даны рекомендации по выбору между глобальным и многоступенчатым кинетическими механизмами в сочетании с различными подходами к описанию турбулентного горения. Описано влияние модели переменных турбулентных чисел Прандтля и Шмидта на моделирование данного течения. Сформулированы идеи для дальнейших исследований.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Власенко

ФАУ «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского»; Московский физико-технический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский; Долгопрудный

Р. А. Балабанов

ФАУ «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского»; Московский физико-технический институт

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский; Долгопрудный

Вэньчао Лю

Московский физико-технический институт

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Долгопрудный

С. С. Молев

ФАУ «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского»

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский

В. А. Сабельников

ФАУ «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского»

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Россия, Жуковский

Список литературы

  1. Власенко В.В., Балабанов Р.А., Вэньчао Лю, Молев С.С., Сабельников В.А. Модели для описания дозвуковых течений с предварительно перемешанным турбулентным горением в каналах // ПММ. 2024. Т. 88. № 6. С. 828–836.
  2. Correa S. Non-equilibrium step-stabilized combustion of hydrogen in supersonic air // 24th AIAA/ASME/SAE/ASEE J. Propulsion Conf.: Massachusetts, USA. AIAA paper. 1988. V. 88. 3223. 9 p.
  3. Ueda T., Mizomoto M. Effect of slot gas injection to the flow field and coherent structure characteristics of a backstep flow // Int. J. of Heat Mass Transfer. 2001. V. 44. № 14. P. 2711–2726.
  4. Magre P., Moreau P., Collin G., Borghi R., Péalat M. Further studies by CARS of premixed turbulent combustion in a high velocity flow // Combust.&Flame. 1988. V. 71. № 2. P. 147–168.
  5. Petrova N. Turbulence-chemistry interaction models for numerical simulation of aeronautical propulsion systems. Ph.D. Thesis. Paris, Ecole Polytechnique, 2015. 316 p. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01113856/
  6. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and Numerical Combustion. Flourtown: RT Edwards Inc., 2005. 522 p.
  7. Peters N. Turbulent Combustion. Cambridge: Univ. Press, 2000. 304 p.
  8. Lipatnikov A. Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion. Boca Raton: CRC Press, 2012. 548 p.
  9. Dupoirieux F., Vincent A., Bertier N., Banh A. Numerical simulation of a premixed CH4–air burner for comparison of RANS and LES methodologies // NEPCAP 2016. October 2016. Sochi, Russia. hal-01400311.
  10. Лебедев А.Б, Токталиев П.Д., Якубовский К.Я. Расчетное исследование турбулентного гомогенного горения смеси метан/воздух методами RANS и LES в малоэмиссионной камере сгорания // Горение и взрыв. 2017. Т. 10. № 4. С. 8–16.
  11. Токталиев П.Д., Якубовский К.Я., Лебедев А.Б. Расчетное исследование неустойчивых режимов гомогенного горения смеси метан/воздух в малоэмиссионной камере сгорания // Горение и взрыв. 2017. Т. 11. № 1. С. 35–46.
  12. Sainte-Rose B. Simulations numeriques d’ecoulements reactifs massivement d’ecolles par une approche hybride RANS/LES / PhD Thes. Paris: Ecole Centrale, 2010. 186 p.
  13. Colin O., Ducros F., Veynante D., Poinsot T. A thickened flame model for large eddy simulations of turbulent premixed combustion// Phys. of Fluids. 2000. V. 12. P. 1843–1863.
  14. Legiert J.P., Poinsott T. Dynamically thickened flame LES model for premixed and non-premixed turbulent combustion // Studying Turbulence Using Numer. Simul. Databases. 2000. V. VIII. P. 157–168.
  15. Refloch A., Courbet B., Murrone A., Villedieu P., Laurent C., Gilbank P., Troyes J., Tessé L., Chaineray G., Dargaud J.B., Quémerais E., Vuillo F. CEDRE Software. https://web.archive.org/web/20200216012255/http://www.aerospacelab-journal.org/sites/www.aerospacelab-journal.org/files/AL2-11.pdf
  16. Sabelnikov V., Fureby C. LES combustion modeling for high Re flames using a multi-phase analogy // Combust.&Flame. 2013. V. 160. № 1. P. 83–96.
  17. Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegnér J., Sabel’nikov V. Finite rate chemistry large-eddy simulation of self-ignition in supersonic combustion ramjet // AIAA J. 2010. V. 48. № 3. P. 540–550.
  18. Petrova N., Sabelnikov V., Bertier N. Numerical simulation of a backward-facing step combustor using RANS/Extended Partially Stirred Reactor model // EUCASS-2015. 17 p.
  19. Лаборатория физического и численного моделирования течений с турбулентностью и горением. http://tsagi.ru/institute/lab220/
  20. Трошин А.И., Молев С.С., Власенко В.В., Михайлов С.В., Бахнэ С., Матяш С.В. Моделирование турбулентных течений на основе подхода iddes c помощью программы zflare // Вычисл. мех. сплошн. сред. 2023. Т. 16. № 2. С. 203–218.
  21. Moule Y., Sabelnikov V., Mura A. Highly resolved numerical simulation of combustion in supersonic hydrogen – air coflowing jets // Combust.&Flame. 2014. V. 161. № 10. P. 2647–2668.
  22. Власенко В.В., Ноздрачев А.Ю., Сабельников В.А., Ширяева А.А. Анализ механизмов стабилизации турбулентного горения по данным расчетов с применением модели реактора частичного перемешивания // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. № 1. С. 43–57.
  23. Власенко В.В., Кажан Е.В., Матяш Е.С., Михайлов С.В., Трошин А.И. Численная реализация неявной схемы и различных моделей турбулентности в расчетном модуле ZEUS // Тр. ЦАГИ. 2015. № 2735. С. 5–49.
  24. Балабанов Р.А., Власенко В.В., Ширяева А.А. Опыт валидации моделей турбулентного горения класса PaSR и планы развития этих моделей применительно к камерам сгорания газотурбинных установок // Сб.: Неравновесные процессы: плазма, горение, атмосфера. NEPCAP-2022 / под. ред. Фролова С.М., Ланшина А.И. М.: Торус Пресс. 2022. С. 94–99.
  25. Лю В. Влияние модели химической кинетики на результаты численного моделирования турбулентных течений с горением / Дисс. на соискание уч. ст.к.ф.-м.н. М.: МФТИ, ВЦ им. А.А. Дородницына РАН, 2023. 154 с. https://www.frccsc.ru/sites/default/files/docs/ds/002-073-03/008-lu/24-1-224-02_008_Lu_main.pdf?738
  26. ANSYS CFD. https://www.ansys.com/products/fluids#tab1-2
  27. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbul., Heat Mass Transfer. 2003. V. 4. № 1. P. 625–632.
  28. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. № 8. P. 1598–1605.
  29. Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. Глобальные кинетические механизмы для расчета турбулентных реагирующих течений. Ч. 1. Основной химический процесс тепловыделения // Хим. физ. 1998. Т. 7. № 9. С. 112–128.
  30. Franzelli B., Riber E., Gicquel L.Y., Poinsot Т. Large eddy simulation of combustion instabilities in a lean partially premixed swirled flame // Combust.&Flame. 2012. V. 159. № 2. P. 621–637.
  31. Smooke M.D. Reduced Kinetic Mechanisms and Asymptotic Approximations for Methane-Air Flames: A Topical Volume / Lecture Notes in Phys. Vol. 384. Berlin: Springer, 1991. 251 p.
  32. Bosnyakov S., Kursakov I., Lysenkov A., Matyash S., Mikhailov S., Vlasenko V., Quest J. Computational tools for supporting the testing of civil aircraft configurations in wind tunnels // Progr. in Aerosp. Sci. 2008. V. 44. P. 67–120.
  33. Ширяева А.А. Моделирование высокоскоростных течений со смешанными режимами турбулентного горения на основе трехмерных уравнений Рейнольдса / Дисс. … к.ф.-м.н. М.: МФТИ, 2019. 217 с.
  34. Zeldowitsch J.B., Frank-Kamenetzki D.A. A theory of thermal propagation of flame // in: Dynamics of Curved Fronts. Acad. Press, 1988. P. 131–140.
  35. Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegnér J., Sabel’nikov V. Finite rate chemistry large-eddy simulation of self-ignition in supersonic combustion ramjet // AIAA J. 2010. V. 48. № 3. P. 540–550.
  36. Magnussen B.F. The eddy dissipation concept: A bridge between science and technology // ECCOMAS Thematic Conf. on Comput. Combust. Lisbon: 2005.
  37. Chomiak J., Karlsson A. Flame liftoff in diesel sprays // Int. Symp. on Combustion. Elsevier, 1996. V. 26. № 2. P. 2557–2564.
  38. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. La Cañada: DCW Industries, 2006. 544 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной установки ONERA

Скачать (147KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Осредненные по времени поля температуры, полученные ЦАГИ в 2D URANS расчетах горения с применением q–ω модели турбулентности в квазиламинарной постановке (без TCI) и с другими различными моделями TCI. Показана изолиния T = 1500 K

Скачать (353KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость наклона фронта горения от скорости набегающей свежей смеси

Скачать (123KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Геометрия расчетной области (a) и расчетная сетка в окрестности уступа (б)

Скачать (349KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профили параметров течения на входе в расчетную область: a) продольная скорость ; б) интенсивность турбулентности ; в) отношение

Скачать (125KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Поля температуры в расчетах без TCI: a) модель SST, кинетика Frolov4; б) модель Baseline k–ω, кинетика Frolov4

Скачать (180KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Профили температуры в трех поперечных сечениях в расчетах на основе модели PaSR a) расчеты с разными значениями константы Cτ; б) сравнение с расчетами ЦАГИ на базе модели турбулентности q–ω по модели EPaSR

Скачать (493KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поля скорости тепловыделения, полученные в расчетах с моделью PaSR с использованием разных кинетических схем: а) BFER2; б) Frolov4; в) Smooke25

Скачать (328KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сравнение трех механизмов химической кинетики: a) зависимость скорости ламинарного пламени от коэффициента избытка топлива и сравнение с экспериментом [96]; б) зависимость температуры от времени при горении в реакторе p = const; в) зависимость скорости образования водяного пара от температуры, соответствующая графику (a) при φ = 1.0; г) аналогичные зависимости, соответствующие (б)

Скачать (385KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Поля температуры, полученные в расчетах с кинетикой Smooke25: a) Fluent, без TCI; б) zFlare, учет TCI с помощью модели EPaSR

Скачать (182KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сетка ЦАГИ для моделирования эксперимента ONERA

Скачать (336KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Примеры неудачных полей средней температуры, полученных в расчетах ЦАГИ с моделью EPaSR–PrOm на этапе настройки параметров модели: а) проскок пламени при TW = min(800,T1), ; б) слишком узкий фронт пламени при TW = min(800,T1)

Скачать (193KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Распределение средней температуры, полученное в zFlare, a) без TCI, k–ω Baseline; б) EPaSR, k–ω Baseline; в) двухканальный EPaSR–PrOm, k–ω Baseline

Скачать (261KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Профили средней температуры Т, средней продольной скорости U и средней поперечной скорости V. Столбцы соответствуют сечениям x = 0.1, 0.25, 0.34, 046 и 0.71 м от уступа канала

Скачать (615KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Поле объемной доли тонких структур для эксперимента ONERA с дозвуковым горением. a) EPaSR, k–ω Baseline; б) двусторонняя EPaSR–PrOm, k–ω Baseline

Скачать (215KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Поля переменных турбулентных чисел Прандтля и Шмидта, полученные по модели EPaSR–PrOm в расчетах эксперимента ONERA с дозвуковым горением

Скачать (293KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025