Modeling of ONERA Experiment with Subsonic Premixed Turbulent Flame in Duct with Backward Step

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The premixed subsonic turbulent combustion of methane-air mixture in channel with backward step is considered. (Magre P. et al., ONERA, 1975-1989). These experiments represent basic physical mechanisms, which are common for combustion processes in gas turbine units. The brief review of previous works on numerical modeling of these experiments is presented. The new results of numerical investigation of stable flame regime for this experimental setup are presented. The choice of turbulence model and its influence on flow structure are described. Various approaches for turbulent combustion description, based on PaSR (Partially Stirred Reactor) are compared with quasi-laminar approach. The recommendations are given for choice between global and multistage chemical kinetics in combination with different models for turbulence combustion interaction. The influence of variable turbulent Prandtl and Schmidt number model on this flow representation. The ideas for further research are formulated.

About the authors

V. V. Vlasenko

TsAGI; MIPT

Author for correspondence.
Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Russian Federation, Zhukovsky; Dolgoprudny

R. A. Balabanov

TsAGI; MIPT

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Russian Federation, Zhukovsky; Dolgoprudny

Wenchao Liu

MIPT

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Russian Federation, Dolgoprudny

S. S. Molev

TsAGI

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Russian Federation, Zhukovsky

A. V. Sabelnikov

TsAGI

Email: vlasenko.vv@yandex.ru
Russian Federation, Zhukovsky

References

  1. Vlasenko V. V., Balabanov R. A., Liu W., Molev S. S., Sabelnikov V. A. Models for description of subsonic flows with premixed turbulent combustion in channels // JAMM. 2024. Vol. 88. No. 6. Pp. 828–836.
  2. Correa S. S. Non-equilibrium step-stabilized combustion of hydrogen in supersonic air // 24th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf.: Massachusetts, USA. AIAA Paper. 1988. Vol. 88. 3223. 9 p.
  3. Ueda T., Mizomoto M. Effect of slot gas injection to the flow field and coherent structure characteristics of a backstep flow // Int. J. Heat Mass Transfer. 2001. Vol. 44. No. 14. Pp. 2711–2726.
  4. Magre P., Moreau P., Collin G., Borghi R., Péalat M. Further studies by CARS of premixed turbulent combustion in a high velocity flow // Combust. & Flame. 1988. Vol. 71. No. 2. Pp. 147–168.
  5. Petrova N. Turbulence-chemistry interaction models for numerical simulation of aeronautical propulsion systems. PhD Thesis. Paris: Ecole Polytechnique, 2015. 316 p. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01113856/
  6. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and Numerical Combustion. Flourtown: RT Edwards Inc., 2005. 522 p.
  7. Peters N. Turbulent Combustion. Cambridge: University Press, 2000. 304 p.
  8. Lipatnikov A. Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion. Boca Raton: CRC Press, 2012. 548 p.
  9. Dupoirieux F., Vincent A., Bertier N., Banh A. Numerical simulation of a premixed CH₄-air burner for comparison of RANS and LES methodologies // NEPCAP. 2016. October 2016. Sochi, Russia. hal-01400311.
  10. Lebedev A. B., Toktaliev P. D., Yakubovsky K. Ya. Computational research of turbulent homogenous combustion of methane-air mixture with RANS and LES methods in low emission combustion chamber // Combust. & Explos. 2017. Vol. 10. No. 4. Pp. 8–16. (In Russian.)
  11. Toktaliev P. D., Yakubovsky K. Ya., Lebedev A. B. Numerical research of unsteady homogenous combustion regimes of methane-air mixture in low emission combustion chamber // Combust. & Explos. 2017. Vol. 11. No. 1. Pp. 35–46. (In Russian.)
  12. Sainte-Rose B. Simulations numériques d’écoulements réactifs massivement écolés par une approche hybride RANS/LES. PhD Thesis. Paris: Ecole Centrale, 2010. 186 p.
  13. Colin O., Ducros F., Veynante D., Poinsot T. A thickened flame model for large eddy simulations of turbulent premixed combustion // Phys. Fluids. 2000. Vol. 12. Pp. 1843–1863.
  14. Legiert J. P., Poinsot T. Dynamically thickened flame LES model for premixed and non-premixed turbulent combustion // Studying Turbulence Using Numerical Simulation Databases. 2000. Vol. VIII. Pp. 157–168.
  15. Refloch A., Courbet B., Murrone A., Villedieu P., Laurent C., Gilbank P., Troyes J., Tessé L., Chaineray G., Dargaud J. B., Quémerais E., Vuillo F. CEDRE Software. https://web.archive.org/web/20200216012255/http://www.aerospacelab-journal.org/sites/www.aerospacelab-journal.org/files/AL2-11.pdf
  16. Sabelnikov V., Fureby C. LES combustion modeling for high Re flames using a multi-phase analogy // Combust. & Flame. 2013. Vol. 160. No. 1. Pp. 83–96.
  17. Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegnér J., Sabel'nikov V. Finite rate chemistry large-eddy simulation of self-ignition in supersonic combustion ramjet // AIAA J. 2010. Vol. 48. No. 3. Pp. 540–550.
  18. Petrova N., Sabelnikov V., Bertier N. Numerical simulation of a backward-facing step combustor using RANS/Extended Partially Stirred Reactor model // EUCASS-2015. 17 p.
  19. Laboratory of physical and numerical modeling of flows with turbulent combustion. http://tsagi.ru/institute/lab220/
  20. Troshin A. I., Molev S. S., Vlasenko V. V., Mikhailov S. V., Bakhne S., Matyash S. V. Modeling of turbulent flows on the basis of IDDES method in ZFLARE program // Comput. Cont. Mech. 2023. Vol. 16. No. 2. Pp. 203–218. (In Russian.)
  21. Moule Y., Sabelnikov V., Mura A. Highly resolved numerical simulation of combustion in supersonic hydrogen-air coflowing jets // Combust. & Flame. 2014. Vol. 161. No. 10. Pp. 2647–2668.
  22. Vlasenko V. V., Nozdrachev A. Yu., Sabelnikov V. A., Shirayeva A. A. Analysis of stabilization mechanisms of turbulent combustion on the data of calculations with application of partially stirred reactor // Combust. & Explos. 2019. Vol. 12. No. 1. Pp. 43–57. (In Russian.)
  23. Vlasenko V. V., Kazhan E. V., Matyash E. S., Mikhailov S. V., Troshin A. I. Numerical realization of implicit scheme and various turbulence models in computational module ZEUS // Tr. TSAGI. 2015. No. 2735. Pp. 5–49. (In Russian.)
  24. Balabanov R. A., Vlasenko V. V., Shirayeva A. A. Validation experience of turbulent combustion models of PaSR class and plans for these models development for gas turbine units combustion chambers // In: Unsteady Processes: Plasma, Combustion, Atmosphere. NEPCAP-2022 / Ed. by Frolov S. M., Lanshin A. I. Moscow: Torus Press, 2022. Pp. 94–99. (In Russian.)
  25. Liu W. Influence of chemical kinetics models on results of numerical modeling of turbulent flows with combustion. PhD Thesis. Moscow: MIPT; Dorodnitsyn Comput. Centre of the RAS, 2023. 154 p. (In Russian.) https://www.frccsc.ru/sites/default/files/docs/ds/002-073-03/008-lu/24-1-224-02_008_Lu_main.pdf?738
  26. ANSYS CFD. https://www.ansys.com/products/fluids#tab1-2
  27. Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, Heat Mass Transfer. 2003. Vol. 4. No. 1. Pp. 625–632.
  28. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. Vol. 32. No. 8. Pp. 1598–1605.
  29. Basevich V. Ya., Belyaev A. A., Frolov S. M. Global kinetic mechanisms for calculation of turbulent reacting flows. Part 1. Basic chemical process of heat release // Chem. Phys. 1998. Vol. 7. No. 9. Pp. 112–128. (In Russian.)
  30. Franzelli B., Riber E., Gicquel L. Y., Poinsot T. Large eddy simulation of combustion instabilities in a lean partially premixed swirled flame // Combust. & Flame. 2012. Vol. 159. No. 2. Pp. 621–637.
  31. Smooke M. D. Reduced Kinetic Mechanisms and Asymptotic Approximations for Methane-Air Flames: A Topical Volume. Lecture Notes in Physics. Vol. 384. Berlin: Springer, 1991. 251 p.
  32. Bosnyakov S., Kursakov I., Lysenkov A., Matyash S., Mikhailov S., Vlasenko V., Quest J. Computational tools for supporting the testing of civil aircraft configurations in wind tunnels // Progr. Aerosp. Sci. 2008. Vol. 44. Pp. 67–120.
  33. Shiryaeva A. A. Modeling of high speed flows with mixed regimes of turbulent combustion on the basis of three-dimensional Reynolds equations. PhD Thesis. Moscow: MIPT, 2019. 217 p. (In Russian.)
  34. Zeldowitsch J. B., Frank-Kamenetzki D. A. A theory of thermal propagation of flame // In: Dynamics of Curved Fronts. Academic Press, 1988. Pp. 131–140.
  35. Berglund M., Fedina E., Fureby C., Tegnér J., Sabel'nikov V. Finite rate chemistry large-eddy simulation of self-ignition in supersonic combustion ramjet // AIAA J. 2010. Vol. 48. No. 3. Pp. 540–550.
  36. Magnussen B. F. The eddy dissipation concept: A bridge between science and technology // ECCOMAS Thematic Conf. on Comput. Combust. Lisbon, 2005.
  37. Chomiak J., Karlsson A. Flame liftoff in diesel sprays // Int. Symp. on Combustion. 1996. Vol. 26. No. 2. Pp. 2557–2564.
  38. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. 3rd ed. La Cañada: DCW Industries, 2006. 544 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».