شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ اختلاط هوا و سوخت در یک محفظه احتراق گردابه دربند – بررسی اثر نسبت طول به عمق حفره

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران

چکیده

 اختلاط هوا و سوخت در یک محفظه احتراق گردابه دربند با استفاده از روش شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ کوپل شده با تابع توزیع جرمی فیلترشده مورد مطالعه شده است. در این پژوهش، اثر نسبت طول به عمق حفره (L/D) به عنوان یک پارامتر هندسی تأثیرگذار بر کیفیت اختلاط هوا و سوخت در جریان غیراحتراقی مورد ارزیابی می شود. ساختار گردابه‌ای در داخل حفره به همراه معیارهای کمّی مختلف همانند نسبت‌ هم‌ارزی میانگین حفره و نسبت هم‌ارزی استوکیومتریک، توزیع کلی سوخت و منحنی‌های اختلاط به منظور بررسی نحوه تغییرات کیفیت اختلاط مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که با افزایش نسبت طول به عمق حفره از 0.60 به 0.85 به دلیل افزایش حجم گردابه اصلی، کیفیت اختلاط در داخل حفره افزایش می‌یابد. با افزایش بیشتر این نسبت تا نزدیکی 0.93  کیفیت اختلاط در داخل حفره افتی موقتا افت می‌کند و سپس در نزدیکی 1.00 مجددا روند بهبود کیفیت ادامه پیدا می کند. اما، بهترین بازدهی اختلاط در همان نسبت طول به عمق حفره 0.85 رخ می‌دهد، به طوری که این نسبت دارای بیشترین تمرکز جرم سوخت در محدوده نسبت هم‌ارزی میانگین حفره و نسبت هم‌ارزی استوکیومتریک است. یافته‌ها با شواهد و قرائن برخاسته از ساختار گردابه‌ای جریان در داخل حفره هم‌خوانی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Large eddy simulations of fuel-air mixing in a trapped vortex combustor-effect of cavity length to depth ratio

نویسندگان [English]

  • Reza Sharifzadeh
  • Asghar Afshari
School of Mechanical Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

Turbulent mixing in a trapped vortex combustor (TVC) is investigated using large eddy simulation (LES) coupled with filtered mass density function (FMDF). The impact of cavity length-to-depth ratio (L/D) as a crucial geometrical parameter on fuel-air mixing quality is evaluated in non-reacting flow conditions. The vortical structure analysis along with various quantitative measures such as mean cavity and near stoichiometric equivalence ratios, global fuel distribution and mixing efficiency curves are invoked to compare different L/D ratios. The predicted results show that increasing L/D ratio from 0.60 to 0.85 improves mixing quality within the cavity due to expanding the main vortex. Further increment of L/D ratio to 0.93 temporarily impairs the mixing quality, whereas more increasing this ratio to 1.00 leads to resumption of mixing quality improvement. Nevertheless, L/D=0.85 provides the best mixing curves and fuel distribution about mean cavity and near stoichiometric equivalence ratios, and consequently the best mixing quality. These findings are commensurate with expectations based on the vortical flow structures inside the cavity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Trapped vortex combustor
  • fuel-air mixing
  • length to depth ratio
  • Large Eddy Simulation
  1. D. Zhao, E. Gutmark, and P. de Goey, “A review of cavity-based trapped vortex, ultra-compact, high-g, inter-turbine combustors,” Prog. Energy Combust. Sci., 66, pp. 42–82, 2018.
  2. K. Hsu, L. Gross, D. Trump, and W. Roquemore, “Performance of a trapped-vortex combustor,” in 33rd aerospace sciences meeting and exhibit, Reno, NV, AIAA 95-0810, 1995.
  3. C. Stone and S. Menon, “Simulation of fuel-air mixing and combustion in a trapped-vortex combustor,” in 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, AIAA 2000-0478, 2000.
  4. D. P. Mishra and R. Sudharshan, “Numerical analysis of fuel-air mixing in a two-dimensional trapped vortex combustor,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part G J. Aerosp. Eng., 224, no. 1, pp. 65–75, 2010.
  5. K. K. Agarwal, S. Krishna, and R. V Ravikrishna, “Mixing enhancement in a compact trapped vortex combustor,” Combust. Sci. Technol., 185, no. 3, pp. 363–378, 2013.
  6. S. Krishna and R. V Ravikrishna, “Optical diagnostics of fuel–air mixing and vortex formation in a cavity combustor,” Exp. Therm. Fluid Sci., 61, pp. 163–176, 2015.
  7. Y.-Y. Liu, R.-M. Li, H.-X. Liu, and M.-L. Yang, “Effects of Fueling Scheme on the Performance of a Trapped Vortex Combustor Rig,” in 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Denver, Colorado, AIAA 2009-4831, 2009.
  8. S. Chen, R. S. M. Chue, J. Schlüter, T. T. Q. Nguyen, and S. C. M. Yu, “Numerical Investigation of a Trapped Vortex Miniature Ramjet Combustor,” J. Propuls. Power, 31, no. 3, pp. 872–882, 2015.
  9. A. Afshari, F. A. Jaberi, and T. I. P. Shih, “Large-eddy simulations of turbulent flows in an axisymmetric dump combustor,” AIAA J., 46, no. 7, pp. 1576–1592, 2008.
  10. G. Erlebacher, M. Y. Hussaini, C. G. Speziale, and T. A. Zang, “Toward the large-eddy simulation of compressible turbulent flows,” J. Fluid Mech., 238, pp. 155–185, 1992.
  11. F. Nicoud and F. Ducros, “Subgrid-scale stress modelling based on the square of the velocity gradient tensor,” Flow, Turbul. Combust., 62, no. 3, pp. 183–200, 1999.
  12. M. R. Visbal and D. V Gaitonde, “On the use of higher-order finite-difference schemes on curvilinear and deforming meshes,” J. Comput. Phys., 181, no. 1, pp. 155–185, 2002.
  13. S. Gottlieb, C.-W. Shu, and E. Tadmor, “Strong stability-preserving high-order time discretization methods,” SIAM Rev., 43, no. 1, pp. 89–112, 2001.
  14. C. W. Gardiner, “Handbook of stochastic methods for physics, chemistry and the natural sciences,” Appl. Opt., 25, p. 3145, 1986.
  15. F. A. Jaberi, P. J. Colucci, S. James, P. Givi, and S. B. Pope, “Filtered mass density function for large-eddy simulation of turbulent reacting flows,” J. Fluid Mech., 401, pp. 85–121, 1999.
  16. A. Singhal and R. V Ravikrishna, “Single cavity trapped vortex combustor dynamics–Part-1: Experiments,” Int. J. spray Combust. Dyn., 3, no. 1, pp. 23–44, 2011.
  17. B. H. H. Little and R. R. R. Whipkey, “Locked vortex afterbodies,” J. Aircr., vol. 16, no. 5, pp. 296–302, 1979.
  18. M. Esmaeili, A. Afshari, and F. A. Jaberi, “Turbulent mixing in non-isothermal jet in crossflow,” Int. J. Heat Mass Transf., 89, pp. 1239–1257, 2015.
  19. S. B. Pope, “Ten questions concerning the large-eddy simulation of turbulent flows,” New J. Phys., 6, no. 1, pp. 35–36, 2004.
  20. S. B. Pope and S. B. Pope, Turbulent flows, Second Edition, Cambridge university press, 2000.
  21. J. Fröhlich, C. P. Mellen, W. Rodi, L. Temmerman, and M. A. Leschziner, “Highly resolved large-eddy simulation of separated flow in a channel with streamwise periodic constrictions,” J. Fluid Mech., 526, pp. 19–66, 2005.
  22. N. Ramesh and J. M. Mallikarjuna, “Evaluation of in-cylinder mixture homogeneity in a diesel HCCI engine–A CFD analysis,” Eng. Sci. Technol. an Int. J., 19, no. 2, pp. 917–925, 2016.
  23. J. Boss, “Evaluation of the homogeneity degree of a mixture,” Bulk solids Handl., 6, no. 6, pp. 1207–1215, 1986.
  24. B. Wegner, Y. Huai, and A. Sadiki, “Comparative study of turbulent mixing in jet in cross-flow configurations using LES,” Int. J. Heat Fluid Flow, 25, no. 5, pp. 767–775, 2004.
  25. F. Muldoon and S. Acharya, “Direct numerical simulation of pulsed jets-in-crossflow,” Comput. Fluids, 39, no. 10, pp. 1745–1773, 2010.