Assessing diffusion model impacts on enstrophy and flame structure in turbulent lean premixed flames
Assessing diffusion model impacts on enstrophy and flame structure in turbulent lean premixed flames
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评估扩散模型对湍流稀薄预混火焰中熵和火焰结构的影响
DOI：
10.1080/13647830.2022.2049882
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发表时间：
2022
影响因子：
1.3
通讯作者：
Niemeyer, Kyle E.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fillo, Aaron J.;Hamlington, Peter E.;Niemeyer, Kyle E.
在湍流预混火焰中，质量的扩散传输发生在小尺度上。因此，在预混燃烧的直接数值模拟中，常被忽略的多组分质量扩散有可能在小尺度上同时影响湍流和火焰特性。在这项研究中，我们通过检查贫氢-空气预混燃烧的拟能动力学和火焰的内部结构来评估这些影响，忽略了二次Soret和Dufour效应。我们通过在NGA程序中实现Stefan-Maxwell方程来描述多组分质量传输，对这些火焰进行了三维数值模拟，并使用混合平均模型和多组分模型对统计平面稀薄预混氢-空气火焰进行了模拟。在多组分模拟中，混合平均模型在火焰前沿低估了峰值拟能高达13%。比较这些火焰的拟能预算，多组分模拟在反应区产生了比混合平均模拟更大的峰值，在归一化涡拉伸项和粘性效应项上显示出17%和14%的差异。在火焰的超绝热区域，混合平均模型高估了高达13%的粘性效应。为了评估这些差异对火焰结构的影响，我们通过对标量梯度场的统计分析，重建了湍流火焰的平均局部内部结构。基于这一分析，我们发现粘性效应的巨大差异导致了两种模型的平均局部火焰结构的显著差异。
Diffusive transport of mass occurs at small scales in turbulent premixed flames. As a result, multicomponent mass diffusion, which is often neglected in direct numerical simulations (DNS) of premixed combustion, has the potential to impact both turbulence and flame characteristics at small scales. In this study, we evaluate these impacts by examining enstrophy dynamics and the internal structure of the flame for lean premixed hydrogen-air combustion, neglecting secondary Soret and Dufour effects. We performed three-dimensional DNS of these flames by implementing the Stefan–Maxwell equations in the code NGA to represent multicomponent mass transport, and we simulated statistically planar lean premixed hydrogen-air flames using both mixture-averaged and multicomponent models. The mixture-averaged model underpredicts the peak enstrophy in the multicomponent simulation by up to 13% in the flame front. Comparing the enstrophy budgets of these flames, the multicomponent simulation yields larger peak magnitudes compared to the mixture-averaged simulation in the reaction zone, showing differences of 17% and 14% in the normalised vortex stretching and viscous effects terms. In the super-adiabatic regions of the flame, the mixture-averaged model overpredicts the viscous effects by up to 13%. To assess the effect of these differences on flame structure, we reconstructed the average local internal structure of the turbulent flame through statistical analysis of the scalar gradient field. Based on this analysis, we show that large differences in viscous effects contribute to significant differences in the average local flame structure between the two models.
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A. Steinberg;P. Hamlington;Xinyu Zhao
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