Development of high-fidelity large scale simulation software on reactive flow for significant improvement of combustion efficiency

• Project/Area Number: 19KK0097
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 丸田 薫 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50260451)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 寿 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40444020) ; 森井 雄飛 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (50707198)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 大規模数値解析 / 燃焼 / ノッキング解析 / 大規模解析 / プラズマアシスト燃焼 / 大規模燃焼解析

Outline of Research at the Start

米国発の超大規模数値解析ライブラリと，これと高親和性の申請者らによる計算高効率化手法とを組合せ，世界の著名研究者と連携する．当グループ独自のマイクロ燃焼現象を標準現象として採用し，モデル更新及び高効率化を継続可能な共同開発環境を整備，以てモデルベース燃焼研究の高度化を図る．既存燃焼モデルでは対応できない排出ガス予測や超高効率燃焼技術開発に必要なマルチスケール燃焼モデルを構築する．開発ソフトウェアを用い，次世代燃焼技術として期待される非平衡プラズマアシスト燃焼の数値解析技術を確立する．開発ソフトウェア群は公開し，本研究終了後も世界の研究者と連携してソフトウェア高度化を継続可能な環境を整備する．

Outline of Annual Research Achievements

米国発の大規模数値解析ライブラリと，これと高親和性の研究分担者開発による計算高効率化手法とを組合せ，反応性流体の大規模数値計算を実施している．当グループ独自のマイクロ燃焼現象，さらに実用燃焼器を模した小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象に関する実験（他大学による先実験）を標準現象として研究をすすめている．現在までに，次世代燃焼技術（着火促進）として期待される非平衡プラズマアシスト燃焼の数値解析，マイクロ燃焼現象のうち非定常的に着火・燃焼を繰り返す現象（FREI現象）の数値解析，小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象を対象とした数値解析を実施してきた．コロナ禍期間中は，当初予定した海外渡航は実施不可であったものの，非平衡プラズマアシスト燃焼に関する数値的研究を進め， 2021年には非平衡プラズマによる着火効果に関する学術論文を公刊した．またFREI現象については，開発コードが良く機能し研究室内における実験を定性的再現することを確認した．この数値解析では冷炎と熱炎の干渉を包括的に解明でき，結果を原著論文として投稿済みである．さらに小容器内における正ヘプタンの着火・燃焼現象に対して実施したDNSでは，1点着火の場合に初期温度の微妙な変化（510，480，450，420K）に対して，実験によるノッキング様現象の可視化画像の全体像とが一致する結果を得ており，既に原著論文を発表した2点着火の場合に加え，初期温度依存性を解決できる目処が立っている．結果として，着火～火炎伝播～異常燃焼であるノッキングに至る過程を極めてシンプルな手段で再現できる手法の創出に成功し，こちらも2023年度に原著論文を公刊するに至った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

米国で開発されたオープンソースの超大規模数値解析ライブラリと分担者らによる化学反応計算高効率化手法を組合せたソフトウェアの開発を完了し，従来手法では事実上解析することが不可能な規模の燃焼解析を実施した．2023年度も引き続き，次世代自動車エンジンの高効率化にとって重要な課題であるノッキング現象の理解を目指し，既存の実験を検証対象とする２次元直接数値結果の解析を実施，現象全体を理解しメカニズムを説明することができる見通しを得た．ノッキングにおいて場を支配する現象の遷移について分析に成功し，原著論文の公刊を達成した．また種々の燃料を対象としたエンジン・ノック抑制に貢献する知見を得て，エンジン試験との対比も開始している．マイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析では，2022年度の冷炎と振動燃焼の干渉に関する原著論文に続き，冷炎と干渉しつつ進行する1点着火現象の論文が，基礎燃焼分野で最も高水準とされる国際燃焼シンポジウム（2024夏ミラノ開催）での発表原稿として採択されている（採択率50％程度）．

Strategy for Future Research Activity

コロナ禍中は当初計画された中期の海外滞在延期を余儀なくされたが，研究自体は極めて順調に進捗した．ソフトウェア開発も着実にすすんだ． 2022年度には，マイクロ燃焼現象における不安定振動燃焼の数値解析を実施した博士後期課程学生が，特別研究員として米国留学を実施し2024年3月に博士の学位を取得した．別予算で措置したノッキング実験，既存のマイクロ燃焼装置によるガソリン・サロゲート燃料によるFREIの実験および数値計算，ノッキング現象に関する数値計算結果分析も着実に進行し，2024年3月の時点で，再現性を確保したノッキング実験が可能となった．またマイクロ燃焼装置によるガソリン・サロゲート燃料によるFREIの実験では，特定成分の特異挙動を特定しており，メカニズムの解析中である．ノッキング現象の予測については，既実施の正ヘプタンの場合に加え，別予算で措置したノッキング実験も含めて，イソオクタンと正ヘプタンの混合燃料へとすすめる．着火から火炎伝播に至る数値計算も，サロゲート燃料や添加剤による着火性の変化に関する検討を，別予算による実験研究とともにすすめる．2024年度の海外渡航については，これまでに達成した成果の発表を3つの国際会議と国際WSで実施する． 2024年度はさらに，本研究の代表・分担者ら及び新たな国際共同研究者らとで共同研究を実施する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Tennessee Knoxville/Space Institute(米国)
• [Int'l Joint Research] INSA Rouen Normandie/CNRS CORIA(フランス)
• [Int'l Joint Research] INSA Rouen Normandie/CNRS CORIA(フランス)
• [Journal Article] Effects of unburnt reaction progress on stretch flame dynamics under elevated temperatures (2024)
  • Author(s): Akita Keisuke、Zhao Peng、Morii Youhi、Maruta Kaoru、Splitter Derek、Chuahy Flavio Dal Forno
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 259 Pages: 113193-113193
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2023.113193
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of knock onset based on two-dimensional direct numerical simulation and theory of explosive transition of deflagration (2023)
  • Author(s): Morii Youhi、Tsunoda Akira、Dubey Ajit Kumar、Maruta Kaoru
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 35 Issue: 8 Pages: 083604-083604
  • DOI: 10.1063/5.0160236
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics of FREI with/without cool flame interaction (2022)
  • Author(s): Keisuke Akita, Youhi Morii, Yuki Murakami, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: － Issue: 2 Pages: 1957-1965
  • DOI: 10.1016/j.proci.2022.07.206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Obtaining pseudo-OH* radiation images from CFD solutions of transcritical flames (2021)
  • Author(s): Tonti Federica、Perov?ek Jaka、Usandivaras Jose’ Zapata、Karl Sebastian、Hardi Justin S.、Morii Youhi、Oschwald Michael
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 233 Pages: 111614-111614
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111614
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 2D computations of FREI with cool flames for n-heptane/air mixture (2021)
  • Author(s): Akita Keisuke、Morii Youhi、Nakamura Hisashi、Tezuka Takuya、Maruta Kaoru
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 38 Issue: 2 Pages: 2247-2255
  • DOI: 10.1016/j.proci.2020.06.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Study on methane oxidation affected by dimethyl ether oxidation at low temperatures using a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2021)
  • Author(s): Nakamura Hisashi、Sugita Toru、Tezuka Takuya、Maruta Kaoru
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 223 Pages: 320-329
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.10.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two-dimensional laboratory-scale DNS for knocking experiment using n-heptane at engine-like condition (2021)
  • Author(s): Youhi Morii, Ajit K. Dubey, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 223 Pages: 330-336
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.10.018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimization of one-parameter family of integration formulae for solving stiff chemical-kinetic ODEs (2020)
  • Author(s): Morii Youhi、Shima Eiji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 21330-21330
  • DOI: 10.1038/s41598-020-78301-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oxidation of a C2HF5/air mixture examined by weak flames in a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2020)
  • Author(s): Takahashi Shintaro、Nakamura Hisashi、Tezuka Takuya、Maruta Kaoru
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 217 Pages: 12-20
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.03.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Combustion Fundamentals for Future Hyper Lean-burn SI Engine Applications -effects of fuel properties on lean ignition limits and knock onset- (2023)
  • Author(s): Kaoru Maruta
  • Organizer: 29th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lewis Number Effect on Explosive Transition of Stretch-Free Flat Flame (2023)
  • Author(s): Youhi Morii
  • Organizer: 29th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Combustion fundamentals for super lean-burn SI engine applications (2023)
  • Author(s): Kaoru Maruta
  • Organizer: 15th International Conference on Combustion and Energy Utilization
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical study on the effect of initial ignition condition on flame propagation of dimethyl ether (DME)/air mixture (2022)
  • Author(s): Ayaka Hashimoto, Keisuke Akita, Youhi Morii, Kaoru Maruta
  • Organizer: 19th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNS study on knocking initiation induced by acoustic waves interacting with tulip-like flame (2022)
  • Author(s): Youhi Morii, Ajit K. Dubey, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • Organizer: 18th International Conference on Numerical Combustion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computations of a micro flow reactor with a controlled temperature profile using Cantera (2022)
  • Author(s): Nakamura Hisashi, Morii Youhi, Maruta Kaoru
  • Organizer: The 39th International Symposium on Combustion, WIPP(Poster)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient approaches to CFD simulations of reactive flow using reliable chemical reaction models (2022)
  • Author(s): Youhi Morii, Kaoru Maruta
  • Organizer: 15th World Congress on Computational Mechanics and 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics WCCM-APCOM 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ノッキング現象の詳細理解に向けた反応性圧縮性流体の数値解析 (2021)
  • Author(s): 森井雄飛, Ajit K. Dubey, 秋田佳祐, 中村 寿, 丸田 薫
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2021
• [Presentation] FREI with a stable cool flame in a micro flow reactor with a controlled temperature profile (2021)
  • Author(s): Keisuke Akita, Youhi Morii, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • Organizer: Eighteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNS of reactive compressible flow for detailed understanding of knocking phenomena (2021)
  • Author(s): Youhi Morii, Ajit K. Dubey, Keisuke Akita, Hisashi Nakamura, Kaoru Maruta
  • Organizer: Eighteenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタにおけるn-ヘプタン/空気予混合気を用いた共存するFREIと定在冷炎に関する研究 (2021)
  • Author(s): 秋田佳祐, 森井雄飛, 中村 寿, 手塚卓也, 丸田 薫
  • Organizer: 日本燃焼学会第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] CFD analysis on FREI with low temperature oxidation in a micro flow reactor with a controlled temperature profile for n-heptane/air mixture (2020)
  • Author(s): Keisuke Akita, Youhi Morii, Hisashi Nakamura, Takuya Tezuka, Kaoru Maruta
  • Organizer: Seventeenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度分布制御型マイクロフローリアクタにおける冷炎反応を含むFREIに関する数値的研究 (2020)
  • Author(s): 秋田佳祐, 森井雄飛, 中村 寿, 手塚卓也, 丸田 薫
  • Organizer: 日本燃焼学会第58回燃焼シンポジウム