This paper investigates LES of turbulent combustion flow based on 2-scalar flamelet approach, where a G-equation and a conserved scalar equation simulate a propagation of premixed flame and a diffusion combustion process, respectively. The turbulent SGS modeling on these flamelet combustion approach is also researched. These LES models are applied to an industrial flows in a full scale gasturbine combustor with premixed and non-premixed flames. The numerical results predict the characteristics of experiment temperature profiles. Unsteady features of complex flames in combustor are also visualized.
In laminar non-premixed flame situation, the flamelet model is not suitable for simulating slow processor like soot and radiation. Thus in this study, we overcome this limitation by using the transient flamelet model. Also, for soot formation on laminar non-premixed flame, transient flamelet coupled with two-equation soot model has been adopted due to its inherent advantages in terms of accuracy and availability. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the precise structure and soot formation processes in the pressurized methane air flames.
The two-equation soot model based on the transient laminar flamelet model is implemented for soot formation of laminar non-premixed $CH_4/Air$ flame with detailed chemical reaction mechanism and complex thermodynamic properties. The soot model represents nucleation, growth and oxidation with gas-phase chemistry. This represented unsteady flamelet soot model has been tested and compared using well verified reference calculation result obtained solving the Full Transport Equations method.
The full transport equation approach for laminar non-premixed flame with detailed chemistry, soot and radiation has an advantage in accuracy and describing for emission pathway, but this approach requires the excessive computational cost especially for a higher-order hydrocarbon fuel flames. On the other hand, the standard flamelet model has an efficiency and accuracy for non-premixed flame, though this model is not suitable for simulating slow processor like soot and radiation in laminar non-premixed flame situation. To overcome this limitation, modified transient flamelet model is developed which coupled with two-equation soot model involved in soot formation and evolution mechanism such as nucleation, surface growth, oxidation and agglomeration.
This study has been mainly motivated to numerically model the supercritical mixing and combustion processes encountered in the liquid propellant rocket engines. In the present approach, turbulence is represented by the extended k-e model. To account for the real fluid effects, the propellant mixture properties are calculated by using generalized cubic equation of state. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction in the turbulent nonpremixed flames, the flamelet approach based on the real fluid flamelet library has been adopted. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the effects of swirl number on flame structure of supercritical kerosene/LOx double swirl coaxial injector.
The present study is aiming at numerically analyze the soot formation processes coupled with gas reaction mechanism in turbulent non-premixed and partially premixed flames. In order to realistically represent turbulence-chemistry interactions with detailed chemical kinetics and soot formation behaviour related to the turbulent non-premixed and partially premixed flames, the transient flamelet[1] and flamelet based level-set approach[2] are coupled with soot formation based on the two equation model [3] and DQMOM (Direct Quadrature Method of Moment)[4].
This study has been mainly motivated to numerically model the supercritical mixing and combustion processes encountered in the liquid propellant rocket engines. In the present approach, turbulence is represented by the standard k-e model. To account for the real fluid effects, the propellant mixture properties are calculated by using generalized cubic equation of state. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction in the turbulent nonpremixed flames, the flamelet approach based on the real fluid flamelet library has been adopted. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the effects of swirl on flame structure of supercritical kerosene liquid propellant combustion.
The LES-based level-set flamelet model has been applied to analyze the turbulent propane/air premixed bluff-body flame with a highly wrinkled flame fronts. The present study has been motivated to investigate the interaction between the flame front and turbulent eddies. Special emphasis is given to study the effect of G equation filtering treatment on the precise structure of turbulent premixed flames as well as the effect of sub-grid scale (SGS) eddies on the wrinkling of the flame surface. The level-set/flamelet model has been adopted to account for the effect of turbulence-flame interaction as well as to properly capture the flame front. Numerical results indicate that the present LES-based level-set flamelet approach has a capability to realistically simulate the highly non-stationary turbulent premixed flame.
The Direct Quadrature Method of Moments (DQMOM) has been presented for the solution of population balance equation in the wide range of the multi-phase flows. This method has the inherently interesting features which can be easily applied to the multi-inner variable equation. In addition, DQMOM is capable of easily coupling the gas phase with the discrete phases while it requires the relatively low computational cost. Soot inception, subsequent aggregation, surface growth and oxidation are described through a population balance model solved with the DQMOM for soot formation. This approach is also able to represent the evolution of the soot particle size distribution. The turbulence-chemistry interaction is represented by the laminar flamelet model together with the presumed PDF approach and the spherical harmonic P-1 approximation is adopted to account for the radiative heat transfer.
Kim, Gun-Hong;Kim, Hu-Jung;Kim, Yong-Mo;Kim, Seung-Ku
한국연소학회:학술대회논문집
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2003.12a
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pp.3-9
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2003
By utilizing a semi-empirical soot model, the applicability of the laminar flamelet concept for simulating the formation and oxidation of soot in the laminar diffusion flame has been studied. The source terms for two transport equations of the soot formation and oxidation are calculated in the mixture fraction/scalar dissipation rate space for laminar flamelets and stored in a library. In this study, emphasis is given to the interaction associated with radiation and soot formation. The radiative heat loss is obtained by solving the radiative transfer equation using the unstructured grid finite volume method with the WSGGM. The calculated temperatures and soot volume fractions agree relatively well with the experimental data and the previous numerical results of Kaplan et al. using the detailed chemistry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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