Abstract
The
primary objective of this work was to develop a fast-running but still
sufficiently precise chemistry model for use in three-dimensional CFD programs.
For
this aim a new approach to simplify detailed schemes was proposed. The
main assumption of this approach is that the species concentrations, the
species consumption and production rates during chemical reactions with
the reduced scheme share the same values with the detailed scheme under
the same initial condition and at the identical time moment for an adiabatic
homogeneous closed system. Then the reaction rate constants of the reduced
scheme can be fitted using polynomials. As an example, a seven-step detailed
scheme is reduced to a two-step scheme, which is chosen because it represents
the mechanism of chain-branching and radical-terminating in the simplest
way. The reaction rate constants of the two reactions are derived from
the seven-step scheme and fitted in the form of fast evaluating polynomials.
The derived reduced scheme has quite wide range of applicability and good
agreement with the detailed scheme in views of the induction time and the
reaction time.
The
new reduced scheme was implemented into the COM3D code and experiments
were performed to validate the computer code. The comparison between the
experiments and the corresponding calculations demonstrated that the code
with the new reduced chemistry can reproduce all essential behaviors of
the lean or stoichiometric hydrogen-air mixture in a very satisfactory
way. Many test calculations demonstrated the numerical stability, convergence
and fast-running performance of the code updated with the new reduced chemistry.
It may be concluded that the new COM3D version can correctly predict the
dynamics of a large range of hydrogen-oxygen combustion regimes, from slow
deflagration to detonation.
Entwicklung,
Implementierung und Verifikation eines reduzierten H2-Luft-Chemiemodells
für das COM3D-Rechenprogramm
Zusammenfassung
Das
grundlegende Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines schnellen und
dabei hinreichend genauen chemischen Modells für die Nutzung in dreidimensionalen
CFD-Programmen.
Zu
diesem Zweck wurde eine neue Herangehensweise zur Vereinfachung detaillierter
Schemata vorgeschlagen. Die wesentliche Annahme dieser Methode sind gleiche
Konzentrationen, Verbrauchs- und Produktionsraten der Spezies während
der chemischen Reaktionen im detaillierten wie im reduzierten Schema bei
gleichen Anfangsbedingungen und Zeitpunkten in einem adiabatischen homogenen
geschlossenen System. Die Konstanten für die Reaktionsraten des reduzierten
Schemas können dann durch Polynome angenähert werden. Als Beispiel
wurde ein detailliertes Schema mit sieben Schritten auf ein Schema mit
zwei Schritten reduziert. Das Schema wurde gewählt, weil es die Mechanismen
von Ketten-Verzweigung und Kettenabbruch für den einfachsten Fall
darstellt. Die Konstanten der Reaktionsraten für beide Reaktionen
sind vom Sieben-Schritt-Schema abgeleitet und in Form von schnell auswertbaren
Polynomen angepasst worden. Das abgeleitete reduzierte Schema hat einen
recht großen Anwendungsbereich und ist in guter Übereinstimmung
mit dem detaillierten Schema in Hinsicht auf die Induktions- und Reaktionszeit.
Das
neue reduzierte Schema wurde in das COM3D-Programm implementiert und es
wurden Experimente durchgeführt, um das Programm zu validieren. Der
Vergleich zwischen den Experimenten und den zugehörigen Berechnungen
zeigt, dass das Programm mit der neuen reduzierten Chemie das gesamte wesentliche
Verhalten des mageren und des stöchiometrischen H2-Luft-Gemisches
auf recht zufriedenstellende Weise reproduzieren kann. Viele Testrechnungen
demonstrieren numerische Stabilität, Konvergenz und schnelle Ausführung
des mit der neuen reduzierten Chemie aktualisierten Programms. Es kann
geschlussfolgert werden, dass die neue COM3D-Version die Dynamik in einem
großen Bereich des H2-O2-Verbrennungsregimes
voraussagen kann, von langsamer Deflagration bis hin zur Detonation.