Numerical simulation is performed to evaluate the conditional moment closure (CMC) models for spray development, ignition, and turbulent combustion for the Engine Combustion Network (ECN) test cases. The CMC model is implemented in the open source code, OpenFOAM, to provide conditional flame structures through the solution of Eulerian as well as Lagrangian conditional transport equations. In spite of more accurate treatment of the convective term, Eulerian CMC provides similar ignition delays and lift-off lengths with Lagrangian CMC.
The first-order conditional moment closure (CMC) model is applied to $CH_4$/Air turbulent jet diffusion flames(Sandia Flame D, E and F). The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption and a beta function pdf for mixture fraction. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation. The results for Flame D show reasonable agreement with the measured conditional mean temperature and mass fractions of major species, although with discrepancy on the fuel rich side. The discrepancy tends to increase as the level of local extinction increases. Second-order CMC may be needed for better prediction of these near-extinction flames.
Combustion of turbulent sprays in a direct injection diesel engine is modeled by the conditional moment closure (CMC) model. The CMC routines are combined with the KIVA code to provide conditional flame structures to determine mean state variables, instead of mean reaction rates. An independent transport equation is solved for each flame group with equal mass of sequentially evaporating fuel vapor. CMC calculation begins as the fuel mass for each flame group begins to evaporate with corresponding initialization conditions. Comparison is made with measured pressure traces for four operating conditions at different rpm's and injection conditions. Results show that the CMC model with multiple flame histories can successfully be applied to ignition and mixing-controlled combustion phases of a diesel engine.
A second-order conditional moment closure(CMC) model is applied to the prediction of local extinction in a turbulent hydrocarbon diffusion flame and compared with direct numerical simulation(DNS) results for the flame. Combustion of a hydrocarbon fuel is described by a simple two-step mechanism. A second-order correction for conditional mean reaction rate terms is made by the assumed pdf method. The results show that the second-order closure is necessary for accurate prediction of intermediate species, while first-order CMC gives good predictions for fuel, oxidant, product and temperature. Conditional variances and covariances are well predicted during an extinction process while they are overpredicted during a reignition process.
The zone-conditioned CMC equations are derived by taking an unconditional average of the generic conservation equations multiplied by delta and Heaviside functions in terms of mixture fraction and reaction progress variable. The resulting equations are essentially in the same form as the single zone CMC equations except for separate flow fields for burned and unburned gas. The zone-conditioned two-fluid equations are applied to a stagnating turbulent premixed flame brush of Cheng and Shepherd[5l. It is shown that the flame stretch factor is of crucial importance to accurately reproduce the measured mean reaction progress variable and conditional velocities. Further work is in progress for the relationship between surface and volume averages and extension to partially premixed combustion on the basis of a triple flame structure, e. g. in a lifted turbulent diffusion flame.
The firtst-order conditional moment closure (CMC) model is applied to CH4/air swirl diffusion flame in a gas turbine model combustor. The flow and mixing fields are calculated by fast chemistry assumption with SLFM library and a beta function pdf for mixture fraction. RNG k-e model is used to consider the swirl flame in a confined wall. Reacting scalar fields are calculated by elliptic CMC formulation with chemical kinetic mechanism, GRI Mech 3.0. Validation is done against measurement data for mean flow and scalar fields in the model combustor [1]. Results show reasonable agreement with the mean mixture fraction and its variance, while temperature is overpredicted as the level of local extinction increases. The second-order CMC model is needed to consider local extinction with considerable conditional fluctuations near the nozzle.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.12
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pp.1616-1624
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2004
The conditional moment closure(CMC) model has been implemented in context with the unstructured-grid finite-volume method which efficiently handle the physically and geometrically complex turbulent reacting flows. The validation cases include a turbulent nonpremixed CO/$H_2$/$N_2$ Jet flame and a turbulent nonpremixed $H_2$/CO flame stabilized on an axisymmetric bluff-body burner. In terms of mean flame field, minor species and NO formation, numerical results has the overall agreement with expermental data. The detailed discussion has been made for the turbulence-chemistry interaction and NOx formation characteristics as well as the comparative performance for CMC and flamelet model.
Kim, Gun-Hong;Lee, Jung-Won;Kim, Yong-Mo;Ahn, Kook-Young
한국연소학회:학술대회논문집
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2006.04a
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pp.111-120
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2006
The fully coupled conditional moment closure(CMC) model has been developed to realistically simulate the structure of complex turbulent nonpremixed syngas flame, in which the flame structure could be considerablyl influenced by the turbulence, transport history, and heat transfer as well. In order to correctly account for the transport effect, the CMC transport equations fully coupled with the flow and mixing fields are numerically solved. The present CMC approach has successfully demonstrated the capability to realistically predict the detailed structure and the overall combustion characteristics. The numerical results obtained in this study clearly reveal the importance of the convective and radiative heat transfer in the precise structure and NOx emission of the present confined combustor with a cooling wall.
Kim, Gun-Hong;Kang, Sung-Mo;Kim, Yong-Mo;Kim, Seong-Ku
한국연소학회:학술대회논문집
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2004.06a
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pp.75-82
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2004
The conditional moment closure(CMC) model has been implemented in context with the unstructured-grid finite-volume method which efficiently handle the physically and geometrically complex turbulent reacting flows. The validation cases include a turbulent nonpremixed $CO/H_2/N_2$ Jet flame and a turbulent nonpremixed $H_2/CO$ flame stabilized on an axisymmetric bluff-body burner. In terms of mean flame field, minor species and NO formation, numerical results has the overall agreement with expermental data. The detailed discussion has been made for the turbulence-chemistry interaction and NOx formation characteristics as well as the comparative performance for CMC and flamelet model.
Steady Laminar Flamelet Model (SLFM) calculation is performed to compare the turbulent combustion characteristics of air combustion and oxy-combustion with $CO_2$ recirculation. Radiative heat loss is considered by the optically thin limit assumption. For more realistic simulation the first-order conditional moment closure(CMC) model is applied to SANDIA PILOTED FLAME D again for the oxidants of air and mixture of $O_2$ and $CO_2$. The chemical kinetic machanism for methane is GRI Mech 3.0. Results show that oxy flames are much more stable than air flames, while comparable stability is maintained with 65% $CO_2$ recirculation. The comparable peak temperature is maintained with 80% $CO_2$ recirculation. Higher the temperature, higher the fractions of intermediate species, CO and OH, due to dissociation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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