【研究前沿】氢气和甲烷湍流过渡欠膨胀射流的CFD分析_燃烧_化学

【研究前沿】氢气和甲烷湍流过渡欠膨胀射流的CFD分析

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这篇文章是2024年发表在《International Journal of Heat and Fluid Flow》。

本文通过计算流体动力学（CFD）分析，研究了氢气和甲烷在欠膨胀射流状态下的湍流过渡特性。研究使用了基于通量分裂法的低数值耗散方案，考虑了不同的压力比和注入的化学物种的影响。通过与实验结果的比较，验证了数值方法的准确性，并应用动态模态分解（DMD）来研究湍流流场的特性。研究发现，氢气射流比甲烷射流穿透更快，并且呈现出更发达的涡旋结构，这有助于空气/燃料混合。

1. 研究背景

欠膨胀射流在各种工程应用中都有出现，包括飞机尾气、燃烧室以及自然现象如火山爆发。现代推进系统中，氢气、丙烷、甲醇和甲烷等燃料的注入涉及以气态形式注入，而非液态。由于注入环境与喷射器轨道之间的显著压力差异，几乎总是达到超音速条件，导致在喷射器喷嘴下游形成欠膨胀射流。

2. 数值方法

研究采用了密度基方法，结合大涡模拟（LES）湍流框架，证明是最适合复制欠膨胀射流特征的方法。数值方法包括显式和隐式算法，其中显式方法在结果准确性方面是最佳选择。

3. 案例研究

研究考虑了两个喷嘴，分别由Yip等人（2020年）和Allocca等人（2020年）进行了实验研究。计算域包括一个高压燃料的圆柱形储罐，通过喷嘴连接到一个环境压力条件下的低压室。

4. 氢气射流研究

通过与实验图像的比较，验证了数值方法的准确性。结果显示，氢气射流在不同的压力比下，能够正确地再现氢气射流的结构。

. 氢气-甲烷射流比较

氢气射流与甲烷射流的比较显示，氢气射流的穿透速度更快，呈现出更发达的涡旋结构，这有助于空气/燃料混合。氢气射流的混合区域在Mach盘位置下游增长，特别是在强烈的湍流主导混合过程的区域。

6. 结论

本研究调查了氢气和甲烷欠膨胀射流的近喷嘴冲击结构和混合活动。通过分析氢气射流，发现低耗散显式方法能够适当捕捉不同压力比下的欠膨胀氢气射流。增加压力比会导致更大的Mach盘尺寸和射流体积。DMD分解揭示了主要混合过程在Mach盘位置下游以及在强烈湍流主导的射流边界附近开始。氢气射流与甲烷射流的比较表明，氢气与空气的混合速度比甲烷快。

来源：CFD饭圈

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