A new LES approach to trans-critical mixing and combustion processes in high-pressure liquid-injectant engines
A new LES approach to trans-critical mixing and combustion processes in high-pressure liquid-injectant engines
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高压液体喷射发动机跨临界混合和燃烧过程的新 LES 方法
DOI：
10.1016/j.proci.2020.07.031
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发表时间：
2021
影响因子：
3.4
通讯作者：
Shinjo Junji
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Umemura Akira;Shinjo Junji
了解火焰稳定机制对于燃烧室设计非常重要。为了阐明液体火箭发动机喷油器出口处的火焰稳定机制，有必要了解跨临界混合过程的基本物理原理，因为火焰稳定的位置正是跨临界混合过程发生的地方，而跨临界混合过程仍然是未知的。在本文中，通过对薄的大密度梯度幅度部分可能激发的亚网格尺度（SGS）热力学和流体动力学不稳定性进行更深入的物理洞察，开发了一种新的大涡模拟（LES）方法，以描述跨临界过程。从各个角度来看，跨临界混合过程中薄的大密度梯度幅度部分的存在对于超临界流体流动LES的数值稳定性来说是一个麻烦。我们的想法是在拉格朗日粒子跟踪和两相流 LES 的混合方案中利用在类液体和类气体超临界流体之间交叉的 SGS 模型。高压下动态粘度降低可能会导致跨临界混合流场中的 SGS 热力学和流体力学不稳定。它们是（1）由于热力学不稳定性导致的相分离，（2）在加热注射器内的伪沸腾位置处发生的朗道流体动力学不稳定性，以及（3）伪沸腾位置处的瑞利 - 泰勒不稳定性，这是由开尔文 - 亥姆霍兹不稳定涡流引起的。这些被分析并组织成新的 SGS 模型，描述跨临界喷射混合过程。
The understanding of flame holding mechanism is very important for combustor design. To elucidate the flame holding mechanism at the injector exit in liquid rocket engines, it is indispensable to know the underlying physics of trans-critical mixing process, because the flame holding location is exactly where trans-critical mixing process, which is still veiled, takes place. In the present paper, a new Large Eddy Simulation (LES) method is developed by gaining deeper physical insights into possible sub-grid-scale (SGS) thermodynamic and fluid dynamic instabilities excitable at thin large-density-gradient-magnitude portions to describe trans-critical processes. The presence of thin large-density-gradient-magnitude portions in trans-critical mixing process is troublesome for numerical stability of supercritical fluid flow LES from various points of view. Our idea is to utilize an SGS model functioning at the crossover between the liquid-like and gas-like supercritical fluids in a hybrid scheme of Lagrangian particle tracking and two-phase flow LES. Reduced dynamic viscosity at high pressure may cause SGS thermodynamic and hydrodynamic instabilities in the trans-critical mixing flow field. They are (1) phase separation due to thermodynamic instability, (2) Landau's hydrodynamic instability occurring at the pseudo-boiling location within a heated injector, and (3) Rayleigh–Taylor instability at the pseudo-boiling location, which is induced by Kelvin–Helmholtz instability vortices. These are analyzed and organized into new SGS models characterizing the trans-critical jet mixing process.
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