Assessing the impact of multicomponent diffusion in direct numerical simulations of premixed, high-Karlovitz, turbulent flames
Assessing the impact of multicomponent diffusion in direct numerical simulations of premixed, high-Karlovitz, turbulent flames
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评估多组分扩散对预混合、高卡洛维茨、湍流火焰的直接数值模拟的影响
DOI：
10.1016/j.combustflame.2020.09.013
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发表时间：
2021
影响因子：
4.4
通讯作者：
Niemeyer, Kyle E.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fillo, Aaron J.;Schlup, Jason;Blanquart, Guillaume;Niemeyer, Kyle E.
在数值燃烧研究中实现多组分扩散模型在计算上是昂贵的；为了降低成本，数值模拟通常使用混合平均扩散处理或更简单的模型。然而，混合平均扩散的准确性和适用性尚未得到验证的三维，湍流，预混火焰。在这项研究中，我们评估了多组分质量扩散在预混的三维高karlovitz数氢、正庚烷和甲苯火焰中的作用，代表了一系列燃料刘易斯数。由于扩散效应在这种情况下的重要性，我们还研究了预混合的不稳定二维氢火焰。通过对扩散通量矢量的比较，我们发现混合平均扩散模型与多组分扩散模型之间的平均差异为10-20%，在高火焰曲率区域的差异大于40%。然而，总的来说，混合平均模型与全局湍流火焰统计相比，在扩散通量上产生了很小的差异。为了评估两种模型之间这些差异的影响，我们比较了归一化湍流火焰速度和物质质量分数和源项的条件平均值。我们发现平均归一化湍流火焰速度的差异为5-20%，这似乎对应于峰值燃料源项的5-10%的差异。我们的结果激发了对混合平均扩散模型是否总是适用于预混湍流火焰的DNS的进一步研究。
Implementing multicomponent diffusion models in numerical combustion studies is computationally expensive; to reduce cost, numerical simulations commonly use mixture-averaged diffusion treatments or simpler models. However, the accuracy and appropriateness of mixture-averaged diffusion has not been verified for three-dimensional, turbulent, premixed flames. In this study we evaluated the role of multicomponent mass diffusion in premixed, three-dimensional high Karlovitz-number hydrogen,n-heptane, and toluene flames, representing a range of fuel Lewis numbers. We also studied a premixed, unstable two-dimensional hydrogen flame due to the importance of diffusion effects in such cases. Our comparison of diffusion flux vectors revealed differences of 10–20% on average between the mixture-averaged and multicomponent diffusion models, and greater than 40% in regions of high flame curvature. Overall, however, the mixture-averaged model produces small differences in diffusion flux compared with global turbulent flame statistics. To evaluate the impact of these differences between the two models, we compared normalized turbulent flame speeds and conditional means of species mass fraction and source term. We found differences of 5–20% in the mean normalized turbulent flame speeds, which seem to correspond to differences of 5–10% in the peak fuel source terms. Our results motivate further study into whether the mixture-averaged diffusion model is always appropriate for DNS of premixed turbulent flames.
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DOI：
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