Abstract Recent studies have shown that Soret diffusion (SD), driven by temperature gradients, could play an important role in both laminar and turbulent premixed H2 flames. However, comparatively little effort has been made to investigate SD effects on turbulent non-premixed H2 flames, in spite of the relevance of these flames in safety and their potential application in clean power and propulsion systems. To this end, the impact of SD on turbulent non-premixed H2 combustion is investigated numerically in this work by comparing two three-dimensional direct numerical simulations of temporally evolving turbulent jet flames. In one simulation, a mixture-averaged diffusion (MD) model is used to approximate multicomponent transport, while in the other the MD model is supplemented with a Soret term to consider SD effects. The emphasis is placed on examining and interpreting the impact of SD on flame structure, differential diffusion, and flame-tangential diffusion. It is found that H and OH mass fractions are significantly affected by SD, while SD has a negligible impact on temperature, heat release rate and H2 mass fraction. This is due to the fact that larger SD flux of H radical is strongly coupled with the main chemical reactions. However, for H2 its larger SD flux is located in the fuel-rich zone and decoupled from the main reactions. The difference between a conserved scalar (mixture fraction Z) and a non-conserved scalar (Bilger mixture fraction ZBilger) is employed as a diagnostic parameter to characterize differential diffusion, and the results show that the effects of SD on differential diffusion are reflected in two aspects: (i) increasing the absolute value of Z − Z Bilger and (ii) increasing the degree of misalignment between the gradients of Z and ZBilger. Furthermore, the analysis of the contribution of SD to flame-tangential diffusion occurring in mixture fraction isosurfaces indicates that for H radical SD can augment the relative contribution of flame-tangential diffusion, especially in the region of high scalar dissipation rate. On the other hand, for H2, SD has a negligible impact on both flame-normal and flame-tangential diffusion. The present study contributes to providing insights into how SD affects turbulent non-premixed H2 flames and into modeling SD effects with flamelet-based combustion models.

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Soret扩散对湍流非预混H2喷射火焰的影响

摘要 最近的研究表明，由温度梯度驱动的 Soret 扩散 (SD) 可以在层流和湍流预混 H2 火焰中发挥重要作用。然而，尽管这些火焰在安全方面的相关性及其在清洁能源和推进系统中的潜在应用，研究 SD 对湍流非预混 H2 火焰的影响的努力相对较少。为此，在这项工作中，通过比较两个随时间演化的湍流喷射火焰的三维直接数值模拟，数值研究了 SD 对湍流非预混 H2 燃烧的影响。在一个模拟中，混合平均扩散 (MD) 模型用于近似多组分传输，而在另一个模拟中，MD 模型补充有 Soret 项以考虑 SD 效应。重点是检查和解释 SD 对火焰结构、微分扩散和火焰切向扩散的影响。发现H和OH质量分数受SD显着影响，而SD对温度、放热速率和H2质量分数的影响可以忽略不计。这是因为较大的 H 自由基 SD 通量与主要化学反应强烈耦合。然而，对于 H2，其较大的 SD 通量位于富燃料区并与主要反应分离。将守恒标量（混合分数 Z）和非守恒标量（Bilger 混合分数 ZBilger）的差异作为表征微分扩散的诊断参数，结果表明 SD 对微分扩散的影响体现在两个方面方面：(i) 增加 Z - Z Bilger 的绝对值和 (ii) 增加 Z 和 ZBilger 梯度之间的错位程度。此外，对混合分数等值面中发生的火焰切向扩散的 SD 贡献的分析表明，对于 H 自由基 SD 可以增加火焰切向扩散的相对贡献，尤其是在高标量耗散率区域。另一方面，对于 H2，SD 对火焰法向扩散和火焰切向扩散的影响都可以忽略不计。本研究有助于深入了解 SD 如何影响湍流非预混 H2 火焰，以及使用基于火焰的燃烧模型对 SD 效应进行建模。对发生在混合分数等值面上的 SD 对火焰切向扩散的贡献的分析表明，对于 H 自由基 SD 可以增加火焰切向扩散的相对贡献，尤其是在高标量耗散率区域。另一方面，对于 H2，SD 对火焰法向扩散和火焰切向扩散的影响都可以忽略不计。本研究有助于深入了解 SD 如何影响湍流非预混 H2 火焰，以及使用基于火焰的燃烧模型对 SD 效应进行建模。对发生在混合分数等值面上的 SD 对火焰切向扩散的贡献的分析表明，对于 H 自由基 SD 可以增加火焰切向扩散的相对贡献，尤其是在高标量耗散率区域。另一方面，对于 H2，SD 对火焰法向扩散和火焰切向扩散的影响都可以忽略不计。本研究有助于深入了解 SD 如何影响湍流非预混 H2 火焰，以及使用基于火焰的燃烧模型对 SD 效应进行建模。SD 对火焰法向扩散和火焰切向扩散的影响可以忽略不计。本研究有助于深入了解 SD 如何影响湍流非预混 H2 火焰，以及使用基于火焰的燃烧模型对 SD 效应进行建模。SD 对火焰法向扩散和火焰切向扩散的影响可以忽略不计。本研究有助于深入了解 SD 如何影响湍流非预混 H2 火焰，以及使用基于火焰的燃烧模型对 SD 效应进行建模。