Challenges for high-fidelity turbulent combustion simulation based on detailed reaction mechanisms

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K21927
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kawai Soshi 東北大学, 工学研究科, 教授 (40608816)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺島 洋史 (石原洋史) 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20415235)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 数値流体力学 / 詳細反応機構 / 燃焼 / 乱流 / 熱流体工学 / LES

Outline of Final Research Achievements

This study investigated a high-fidelity turbulent combustion LES method based on detailed reaction mechanisms that reproduce turbulent combustion phenomena using coarse grids. To establish the high-fidelity LES method, we first proposed the localized thickened flame (LTF) model that spatially expands the flame thickness while maintaining the accurate laminar burning velocity and auto-ignition without changing the chemical species distributions inside the flame. Then, based on the LTF model, the turbulent combustion LES method that models the fame curvature effects was proposed and validated through the turbulence and flame interaction problem.

Free Research Field

圧縮性流体力学、数値流体力学、航空宇宙工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

乱流燃焼現象は、エネルギー・環境の根幹を成す燃焼器の高効率化・低エミッション化に関わる重要な熱流体現象であり、詳細は化学反応を記述する詳細反応機構に基づく高忠実な乱流燃焼シミュレーション手法の確立は、燃焼器設計におけるトライ＆エラーを減らし、設計上流段階からのシミュレーションによる信頼できる燃焼器を設計する上で重要な役割を果たすと考えられる。また本研究がターゲットしている詳細反応機構に基づく反応速度のLESモデル（SGSモデル）は、学術的にも未だ確立されていない部分が多く、本研究は学術および工学応用、その両面から貢献することを目指して実施した。