Taniguchi Lab. meeting 2004/10/15 Shigefumi TOKUDA

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1 Taniguchi Lab. meeting 2004/10/15 Shigefumi TOKUDA
反応性流体力学2008/6/4　引用 反応性流体力学2009/5/27　引用 Numerical Simulation of non-premixed flame （diffusion flame） using a flamelet approach Taniguchi Lab. meeting 2004/10/15 Shigefumi TOKUDA Sorry, this presentation is Japanese only… Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

2 拡散火炎モデル（Laminar Flamelet model）
対象とする火炎の構造が代表的な層流拡散火炎の構造と同様であると仮定 仮定元となる層流拡散火炎のデータが必要 乱流火炎の計算を流れ場の計算から分離 化学的非平衡状態も表現可能 拡散火炎の火炎構造 Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

3 保存スカラによる拡散火炎面の表現 化学種に関する支配方程式⇒元素の質量分率 各化学種の拡散係数が等しい（Scα=Sc）とする
規格化（燃料側でξ=1，酸化剤側でξ=0） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

4 保存スカラによる拡散火炎面の表現 エネルギ方程式 規格化（燃料側でξ=1，酸化剤側でξ=0）
Lewis数Le（=Sc/Pr）が１である（Scα=Sc=Pr） 低Mach数近似 輻射・壁面での伝熱効果無視 規格化（燃料側でξ=1，酸化剤側でξ=0） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

5 保存スカラによる拡散火炎面の表現 各化学種の質量分率とエンタルピの境界条件が同一であるとき，
元素の質量分率の輸送方程式とエネルギ方程式はただ一つのスカラξによって表現できる． 拡散火炎の形状はξの化学量論混合比の等値面ξstで表される ※化学量論混合比・・・燃料と酸化剤がすべて反応し生成物 となる燃料・酸化剤の割合 ξ：混合分率 Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

6 Flamelet data の作成 CHEMKINによる対向流拡散火炎の計算結果などから，混合分率と密度・温度との関係を混合分率の多項式関数として与える ξst=0.03（H2:N2=100:0），0.3 （H2:N2=50:50） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

7 水素-空気層流拡散火炎での検証 flamelet approachにもとづく燃焼モデルの検証
乱流拡散の影響を受けない層流場にて素反応解析の結果と比較 素反応解析により得られた元素の質量分率から算出したξとパッシブなスカラとして計算したξの比較 ξ方程式導出の際に用いた仮定の妥当性の検証 素反応解析により得られた密度・温度とξからFlamelet Dataを介して算出した密度・温度の比較 燃料濃度の違いによる影響 Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

8 計算領域と計算条件 fuel H2+N2 co-flow Air（N2+O2） fuel rate 6.7 m/s ~
co-flow rate 1.0 m/s fuel nozzle diameter 3.2×10-3 m Reynolds number 100~ Prandtl number 0.75 total cell number 19380 total vertex number 20820 詳細反応モデル（9化学種・21素反応式） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

9 詳細反応モデル（9化学種・21素反応式） 化学種 N2 O2 H2 H2O OH Lewis数 1 1.11 0.3 1.12 0.73 O
- 0.7 0.18 1.1 Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

10 計算結果 (fuel H2:N2=100:0） 速度ベクトル分布 [m/s] 温度分布 [K] H2O密度分布 [kg/m3]
H2密度分布 [kg/m3] O2密度分布 [kg/m3] OH密度分布 [kg/m3] Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

11 計算結果（混合分率分布） H2:N2=100:0，Ufuel=6.7m/s
混合分率軸方向分布 [-] 混合分率半径方向分布（Z = 1D） [-] 赤：詳細反応（N） 緑：詳細反応（O） 青：詳細反応（H） ξ算出の際に着目する元素の選択による違いは小さい 混合分率半径方向分布（Z = 5D） [-] Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

12 計算結果（混合分率分布） H2:N2=100:0，Ufuel=6.7m/s
混合分率軸方向分布 [-] 混合分率半径方向分布（Z = 1D） [-] 赤：詳細反応（N） 緑：パッシブスカラ（Sc=0.225（=ScH）） 青：パッシブスカラ（Sc=0.75（=ScN）） 桃：パッシブスカラ（Sc= （=ScO）） Sc=0.75付近での結果がよく一致 混合分率半径方向分布（Z = 5D） [-] Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

13 計算結果（混合分率分布） H2:N2=100:0，Ufuel=6.7m/s
混合分率軸方向分布 [-] 混合分率半径方向分布（Z = 1D） [-] 赤：詳細反応（N） （Sc=0.75, Pr=0.75） 緑：パッシブスカラ（Sc=0.75, Pr=0.75） 青：パッシブスカラ（Sc=1.5, Pr=1.5） 桃：パッシブスカラ（Sc=0.5, Pr=0.5） Pr=Sc の違いによる影響は小さい 混合分率半径方向分布（Z = 5D） [-] Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

14 計算結果（密度分布） H2:N2=100:0，Ufuel=6.7m/s
軸方向分布 半径方向分布（Z = 1D） 赤：詳細反応（N）から求めた混合分率ξから 緑：パッシブスカラ（Sc=0.75）としたξから 青：詳細反応計算により 求めた密度　　 半径方向分布（Z = 5D） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

15 計算結果（温度分布） H2:N2=100:0，Ufuel=6.7m/s
軸方向分布 半径方向分布（Z = 1D） 赤：詳細反応（N）から求めた混合分率ξから 緑：パッシブスカラ（Sc=0.75）としたξから 青：詳細反応計算により 求めた温度　　　 後流域において温度分布に相違　　　　→対向流拡散火炎と同様の特性はない 半径方向分布（Z = 5D） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

16 燃料濃度の影響（混合分率分布） H2:N2=100:0 H2:N2=50:50 燃料を希釈（H2:N2=100:0→50:50）すると・・・
ξstが増加（0.03→0.3） 火炎面の広がりは小さい 噴流の広がりも小さい Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

17 計算結果（混合分率分布） H2:N2=50:50，Ufuel=6.7m/s
混合分率軸方向分布 [-] 混合分率半径方向分布（Z = 1D） [-] 赤：詳細反応（N） 緑：パッシブスカラ （Sc=0.75） 混合分率半径方向分布（Z = 5D） [-] Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

18 計算結果（密度分布） H2:N2=50:50，Ufuel=6.7m/s
軸方向分布 半径方向分布（Z = 1D） 赤：詳細反応（N）から求めた混合分率ξから 緑：パッシブスカラ（Sc=0.75）としたξから 青：詳細反応計算により 求めた密度　　 半径方向分布（Z = 5D） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

19 計算結果（温度分布） H2:N2=50:50，Ufuel=6.7m/s
軸方向分布 半径方向分布（Z = 1D） 赤：詳細反応（N）から求めた混合分率ξから 緑：パッシブスカラ（Sc=0.75）としたξから 青：詳細反応計算により 求めた温度　　　 半径方向分布（Z = 5D） Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo

20 まとめ 詳細反応計算で得られた各元素より算出した混合分率ξ はどの元素を基にしてもほぼ等しい
各化学種の拡散係数が等しい（Scα=Sc）とした仮定の妥当性 パッシブスカラとして計算した混合分率ξはSc＝Pr とすると詳細反応計算の結果とよく一致 Le（=Sc/Pr）=1の仮定の妥当性 混合分率ξから平面火炎（対向噴流）のデータにより 予測した温度、密度分布には誤差あり Flamelet近似の妥当性 火炎形状は燃料濃度（燃焼速度）に依存する Flamelet近似でも依存性の予測はある程度可能 Taniguchi Lab. IIS, The Univ. of Tokyo