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Evaluation of Different Turbulent Combustion Models Based on Tabulated Chemistry Using DNS of Heterogeneous Mixtures Under Multi-injection Diesel Engine-Relevant Conditions
Flow, Turbulence and Combustion ( IF 2.4 ) Pub Date : 2020-11-12 , DOI: 10.1007/s10494-020-00225-y Eleftherios Gorgoraptis , Jean-Baptiste Michel , Stéphane Chevillard , Antonio Pires da Cruz
Flow, Turbulence and Combustion ( IF 2.4 ) Pub Date : 2020-11-12 , DOI: 10.1007/s10494-020-00225-y Eleftherios Gorgoraptis , Jean-Baptiste Michel , Stéphane Chevillard , Antonio Pires da Cruz
This paper assesses the accuracy of partially-premixed turbulent combustion models based on the tabulation of chemical kinetics, under multi-injection diesel engine-relevant conditions. For this purpose, 2-D direct numerical simulation (DNS) is carried out. Pockets of gaseous n-heptane are randomly distributed in a turbulent field of a partially burnt n-heptane/air mixture. The burnt gases composition and enthalpy correspond to the partial oxidation of a pilot injection that precedes the main injection, represented here by the fresh fuel pockets. The DNS domain is enclosed in a larger volume, permitting quasi-constant pressure autoignition. Chemical kinetics is modeled by a 29-species skeletal reaction mechanism for n-heptane/air mixture autoignition and flame propagation. A homogeneous isotropic turbulence spectrum is used to initialize the velocity field in the domain. A DNS database is generated varying the progress of the pilot injection combustion $$c_0$$ and the velocity fluctuation level $$u'$$ of the turbulence spectrum. Three different modeling approaches are tested a priori against the DNS data: (1) the tabulated homogeneous reactor, which is a direct exploitation of the chemistry tabulation ignoring any local mixture heterogeneity; (2) the presumed conditional moment model, which includes a separate statistical description for the mixture and the combustion progress; (3) the approximated diffusion flame model, which considers the heterogeneous turbulent reactor as a diffusion flame. Since the same chemical kinetics mechanism is used for the generation of the chemistry tabulation, the study is entirely focused on the evaluation of the different modeling assumptions. Results show that accounting for initial progress variable of the mixture ( $$c_0$$ ) is mandatory for such models. They also indicate the omission of mixture fraction Z and progress variable c heterogeneities and the assumption of the statistical independence of Z and c as the main responsible for model discrepancies under the studied conditions.
中文翻译:
在多喷射柴油发动机相关条件下,使用非均质混合物的 DNS 评估基于列表化学的不同湍流燃烧模型
本文评估了基于化学动力学列表的部分预混湍流燃烧模型在多喷射柴油机相关条件下的准确性。为此,进行了二维直接数值模拟 (DNS)。气态正庚烷袋随机分布在部分燃烧的正庚烷/空气混合物的湍流场中。燃烧后的气体成分和焓对应于主喷射之前的预喷射的部分氧化,此处由新鲜燃料袋表示。DNS 域被封闭在更大的体积中,允许准恒压自燃。化学动力学由正庚烷/空气混合物自燃和火焰传播的 29 种骨架反应机制建模。均匀各向同性湍流谱用于初始化域中的速度场。生成 DNS 数据库,改变预喷射燃烧的进程 $$c_0$$ 和湍流频谱的速度波动水平 $$u'$$。针对 DNS 数据先验地测试了三种不同的建模方法:(1)表格均质反应器,这是化学表格的直接开发,忽略任何局部混合物异质性;(2) 假定的条件矩模型,其中包括对混合物和燃烧过程的单独统计描述;(3)近似扩散火焰模型,将多相湍流反应器视为扩散火焰。由于相同的化学动力学机制用于生成化学列表,该研究完全侧重于对不同建模假设的评估。结果表明,对于此类模型,必须考虑混合物的初始进度变量 ( $$c_0$$ )。他们还指出了混合分数 Z 和进程变量 c 异质性的省略以及 Z 和 c 的统计独立性假设是研究条件下模型差异的主要原因。
更新日期:2020-11-12
中文翻译:
在多喷射柴油发动机相关条件下,使用非均质混合物的 DNS 评估基于列表化学的不同湍流燃烧模型
本文评估了基于化学动力学列表的部分预混湍流燃烧模型在多喷射柴油机相关条件下的准确性。为此,进行了二维直接数值模拟 (DNS)。气态正庚烷袋随机分布在部分燃烧的正庚烷/空气混合物的湍流场中。燃烧后的气体成分和焓对应于主喷射之前的预喷射的部分氧化,此处由新鲜燃料袋表示。DNS 域被封闭在更大的体积中,允许准恒压自燃。化学动力学由正庚烷/空气混合物自燃和火焰传播的 29 种骨架反应机制建模。均匀各向同性湍流谱用于初始化域中的速度场。生成 DNS 数据库,改变预喷射燃烧的进程 $$c_0$$ 和湍流频谱的速度波动水平 $$u'$$。针对 DNS 数据先验地测试了三种不同的建模方法:(1)表格均质反应器,这是化学表格的直接开发,忽略任何局部混合物异质性;(2) 假定的条件矩模型,其中包括对混合物和燃烧过程的单独统计描述;(3)近似扩散火焰模型,将多相湍流反应器视为扩散火焰。由于相同的化学动力学机制用于生成化学列表,该研究完全侧重于对不同建模假设的评估。结果表明,对于此类模型,必须考虑混合物的初始进度变量 ( $$c_0$$ )。他们还指出了混合分数 Z 和进程变量 c 异质性的省略以及 Z 和 c 的统计独立性假设是研究条件下模型差异的主要原因。