شبیه‌سازی ادی‌های بزرگ شعله های سندیا D، E و F با توسعه‌ مدل اشتعال لایه اختلاطی متغیر(VIML) در تولید کتابخانه دوبعدی FGM

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده هوافضای دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

کتابخانه فلیملت FGM براساس دو بعد کسر مخلوط و متغیر پیشروی شکل‌گرفته است. با این کتابخانه امکان شبیه‌سازی احتراق برای جریان سوخت و اکسنده با ترکیب شیمیایی ثابت وجود دارد. شبیه‌سازی احتراق با استفاده از مدل فلیملت نیازمند افزایش ابعاد کتابخانه فلیملت به بیش از دو بعد است. شعله‌های پایلوت دار سندیا ازجمله شعله‌های با چند جریان ورودی است که از جت سوخت، جریان داغ پایلوت و هوا شکل‌گرفته‌اند. افزایش ابعاد کتابخانه فلیملت منجر به افزایش قابل‌توجه حجم کتابخانه و افزایش هزینه محاسباتی در فرایند بازخوانی و میان‌یابی داده‌ها از این کتابخانه می‌شود. این مقاله به معرفی روشی ابداعی باهدف تولید کتابخانه دوبعدی فلیملت برای میدان جریانی با چند ورودی و یا ترکیب غیرثابت سوخت و اکسنده ورودی می‌پردازد. روش ابداعی بر پایه روش مدل اشتعال لایه اختلاط (IML) توسعه‌یافته و مدل اشتعال لایه اختلاطی متغیر (VIML) نام‌گذاری می‌شود. برای اعتبارسنجی این مدل پیشنهادی، از شبیه‌سازی ادی‌های بزرگ (LES) شعله‌های سندیا D، E و F با اعداد رینولدز 22400، 33600 و 44800 بهره گرفته‌ شده است. نتایج شبیه‌سازی ادی‌های بزرگ نشان می‌دهد که کتابخانه دوبعدی توانایی مدل‌سازی میدان جریان را با سه ورودی متفاوت را دارد و می‌تواند به‌عنوان جایگزین کتابخانه هایی با ابعاد بیش از دوبعد گردد که منجر به کاهش زمان محاسبه فرایند بازیابی اطلاعات و کاهش حافظه رم  موردنیاز برای ذخیره کتابخانه به مقدار قابل‌توجهی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان‌دهنده همخوانی مناسب مقادیر میانگین و واریانس کسر مخلوط و دما با داده‌های تجربی برای هر سه شعله است. افزایش عدد رینولدز باعث افزایش خطا قبل از توسعه جریان جت در محاسبه دما شده که ناشی از عدم دقت در پیش‌بینی کسر مخلوط در آن محدوده است.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Large eddy simulation of the Sandia D, E, F flames using the developed variable ignition mixing layer to generate 2-D FGM table

نویسندگان [English]

  • saeedreza zadsirjan 1
  • صادق تابع جماعت 2
1 department of aerospace engineering, Amirkarbir university of technology, tehran, iran
2 Amirkabir university of technology
چکیده [English]

T
 
The flamelet library in FGM model is constructed based on mixture fraction and progress variable. This library facilitates to model the reactive flow precisely only in the case of two fuel/oxidizer in-flow streams. For the case of more in-flow streams, e.g. Sandia piloted flames fuel jet/ pilot/ air, it is needed to extend dimensions of the FGM library. This extension increase the size of stored data leads to higher computational cost. In this paper, the main motivation is to develop the Ignition Mixing Layer method (IML) to the Variable Ignition Mixing Layer (VIML) as the novel approach to generate the 2D FGM table for multi in-flow streams. Large Eddy Simulations of the Sandia D, E, and F with Reynolds number of 22400, 33600, and 44800 were conducted to validate this method. The LES results show a good agreement on the mean and variance of the mixture fraction and temperature. Therefore, the VIML is a successful model to simulate multi in-flow streams with 2D FGM library.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : flamelet library
  • Sandia flame
  • Large Eddy Simulation
  • variable ignition mixing layer
  1. J. A. van Oijen, A. Donini, R. J. M. Bastiaans, J. H. M. ten Thije Boonkkamp, and L. P. H. de Goey, “State-of-The-Art in Premixed Combustion Modeling Using Flamelet Generated Manifolds,” Prog. Energy Combust. Sci., 57, No. Supplement C, 2016, pp. 30–74.
  2. U. Maas and S. B. Pope, “Simplifying Chemical Kinetics: Intrinsic Low-Dimensional Manifolds in Composition Space,” Combust. Flame, 88, No. 3, 1992, pp. 239–264.
  3. R. L. G. M. Eggels and L. P. H. de Goey, “Mathematically Reduced Reaction Mechanisms Applied to Adiabatic Flat Hydrogen/Air Flames,” Combust. Flame, 100, No. 4, 1995, pp. 559–570.
  4. S. Delhaye, L. M. T. Somers, J. A. van Oijen, and L. P. H. de Goey, “Incorporating Unsteady Flow-Effects in Flamelet-Generated Manifolds,” Combust. Flame, 155, No. 1, 2008, pp. 133–144.
  5. N. Peters, “Laminar Flamelet Concepts in Turbulent Combustion,” Symp. Combust., 21, No. 1, 1988, pp. 1231–1250.
  6. M. Rieth, F. Proch, M. Rabaçal, B. M. Franchetti, F. Cavallo Marincola, and A. M. Kempf, “Flamelet LES of A Semi-Industrial Pulverized Coal Furnace,” Combust. Flame, 173, No. Supplement C, 2016, pp. 39–56.
  7. Y. Xuan, G. Blanquart, and M. E. Mueller, “Modeling Curvature Effects in Diffusion Flames Using A Laminar Flamelet Model,” Combust. Flame, 161, No. 5, 2014, pp. 1294–1309.
  8. K. Claramunt, R. Cònsul, D. Carbonell, and C. D. Pérez-Segarra, “Analysis of The Laminar Flamelet Concept For Nonpremixed Laminar Flames,” Combust. Flame, 145, No. 4, 2006, pp. 845–862.
  9. A. W. Cook, J. J. Riley, and G. Kosály, “A Laminar Flamelet Approach To Subgrid-Scale Chemistry in Turbulent Flows,” Combust. Flame, 109, No. 3, 1997, pp. 332–341.
  10. H. Pitsch and H. Steiner, “Scalar Mixing And Dissipation Rate in Large-Eddy Simulations of Non-Premixed Turbulent Combustion,” Proc. Combust. Inst., 28, No. 1, 2000, pp. 41–49.
  11. H. Pitsch, M. Chen, and N. Peters, “Unsteady Flamelet Modeling of Turbulent Hydrogen-Air Diffusion Flames,” Symp. Combust., 27, No. 1, 1998, pp. 1057–1064.
  12. P. Sripakagorn, S. Mitarai, G. Kosály, and H. Pitsch, “Extinction And Reignition In A Diffusion Flame: A Direct Numerical Simulation Study,” J. Fluid Mech., 518, 2004, pp. 231–259.
  13. M. Ihme, C. M. Cha, and H. Pitsch, “Prediction of Local Extinction And Re-Ignition Effects in Non-Premixed Turbulent Combustion Using A Flamelet/Progress Variable Approach,” Proc. Combust. Inst., 30, No. 1, 2005, pp. 793–800.
  14. C. D. PIERCE and P. MOIN, “Progress-Variable Approach For Large-Eddy Simulation of Non-Premixed Turbulent Combustion,” J. Fluid Mech., 504, 2004, pp. 73–97.
  15. M. Ihme and H. Pitsch, “Modeling of Radiation And Nitric Oxide Formation in Turbulent Nonpremixed Flames Using A Flamelet/Progress Variable Formulation,” Phys. Fluids, 20, No. 5, May 2008, p. 55110.
  16. M. Ihme and H. Pitsch, “Prediction of Extinction And Reignition in Nonpremixed Turbulent Flames using A Flamelet/Progress Variable Model: 1. A Priori Study And Presumed PDF Closure,” Combust. Flame, 155, No. 1, 2008, pp. 70–89.
  17. J. van Oijen and P. de Goey, “Modelling of Premixed Laminar Flames Using Flamelet-Generated Manifolds,” Combust. Sci. Technol., 161, No. 1, Dec. 2000, pp. 113–137.
  18. D. J. E. M. Roekaerts, J. van Oijen, and P. de Goey, “A Priori Testing of Flamelet Generated Manifolds for Turbulent Partially Premixed Methane/Air Flames,” Flow, Turbul. Combust., 84, 2010, pp. 439–458.
  19. G. El-Asrag, Hossam A. Golden, “A Comparison Between Two Different Flamelet Reduced Order Manifolds For Non-Premixed Turbulent Flames,” 8th U. S. National Combustion Meeting, Canyons resort in Park City, Utah, 2013.
  20. J. A. van Oijen and L. P. H. de Goey, “Modelling of Premixed Counterflow Flames Using The Flamelet-Generated Manifold Method,” Combust. Theory Model., 6, No. 3, Sep. 2002, pp. 463–478.
  21. O. Gicquel, N. Darabiha, and D. Thévenin, “Liminar Premixed Hydrogen/Air Counterflow Flame Simulations using Flame Prolongation of ILDM With Differential Diffusion,” Proc. Combust. Inst., 28, No. 2, 2000, pp. 1901–1908.
  22. H. Bongers, “Analysis of Flamelet-Based Methods to Reduce Chemical Kinetics in Flame Computations,” PhD diss., Technische Universiteit Eindhoven, 2005.
  23. E. Abtahizadeh, P. de Goey, and J. van Oijen, “Development of A Novel Flamelet-Based Model to Include Preferential Diffusion Effects in Autoignition Of CH4/H2 Flames,” Combust. Flame, 162, No. 11, 2015, pp. 4358–4369.
  24. M. Ihme and Y. C. See, “LES Flamelet Modeling of A Three-Stream MILD Combustor: Analysis of Flame Sensitivity to Scalar Inflow Conditions,” Proc. Combust. Inst., 33, No. 1, 2011, pp. 1309–1317.
  25. J. Lamouroux, M. Ihme, B. Fiorina, and O. Gicquel, “Tabulated Chemistry Approach For Diluted Combustion Regimes With Internal Recirculation And Heat Losses,” Combust. Flame, 161, No. 8, 2014, pp. 2120–2136.
  26. G. Sarras, Y. Mahmoudi, L. D. Arteaga Mendez, E. H. van Veen, M. J. Tummers, and D. J. E. M. Roekaerts, “Modeling of Turbulent Natural Gas and Biogas Flames of the Delft Jet-in-Hot-Coflow Burner: Effects of Coflow Temperature, Fuel Temperature and Fuel Composition on the Flame Lift-Off Height,” Flow, Turbul. Combust., 93, No. 4, 2014, pp. 607–635.
  27. K. B. Brady, X. Hui, and C. J. Sung, “Effect of Hydrogen Addition on The Counterflow Ignition Of N-Butanol at Atmospheric And Elevated Pressures,” Int. J. Hydrogen Energy, 40, No. 46, 2015, pp. 16618–16633.
  28. J. Li, H. Huang, N. Kobayashi, C. Wang, and H. Yuan, “Numerical Study on Laminar Burning Velocity and Ignition Delay Time of Ammonia Flame With Hydrogen Addition,” Energy, 126, no. Supplement C, 2017, pp. 796–809.
  29. R. L. Gordon, A. R. Masri, S. B. Pope, and G. M. Goldin, “A Numerical Study of Auto-Ignition in Turbulent Lifted Flames Issuing into A Vitiated Co-Flow,” Combust. Theory Model., 11, No. 3, Apr. 2007, pp. 351–376.
  30. R. Barlow, J. Frank, A. N. Karpetis, and J. Y. Chen, “Piloted Methane/Air Jet Flames: Scalar Structure and Transport Effects,” Combust. Flame, 2005, No. 143, pp. 433-449..
  31. S. E. Abtahizadeh, “Numerical Study of Mild Combustion From Laminar Flames to Large Eddy Simulation of Turbulent Flames With Flamelet Generated Manifolds,” , PhD diss., Eindhoven University of Technology, 2014.
  32. E. Abtahizadeh, P. de Goey, and J. van Oijen, “/LES of Delft Jet-in-Hot Coflow Burner To Investigate The Effect of Preferential Diffusion On Autoignition of CH4/H2 Flames,” Fuel, 191, no. Supplement C, 2017, pp. 36–45.
  33. M. Smooke, Series Lecture Notes in Physics: Reduced Kinetic Mechanisms and Asymptotic Approximations For Methane-Air Flames, Berlin, Springer, 1991.
  34. A. Vreman, R. Bastiaans, and B. Geurts, “A Similarity Subgrid Model For Premixed Turbulent Combustion.,” Flow Turb Combust, 82, 2009, pp. 233–48.
  35. A. W. Vreman, B. A. Albrecht, J. A. van Oijen, L. P. H. de Goey, and R. J. M. Bastiaans, “Premixed and Nonpremixed Generated Manifolds in Large-Eddy Simulation of Sandia Flame D And F,” Combust. Flame, 153, No. 3, 2008, pp. 394–416.