J. Xing, T. Watanabe, K. Nagata
Hybrid large eddy simulation and Lagrangian simulation of a compressible turbulent planar jet with a chemical reaction
International Journal for Numerical Methods in Fluids, 96 962-990 2024
DOI: https://doi.org/10.1002/fld.5273
Accepted manuscript is available here.
This is the accepted version of the article, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/fld.5273. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with the Wiley Self-Archiving Policy [http://www.wileyauthors.com/self-archiving].
Abstract
Large eddy simulation (LES) coupled with Lagrangian particle simulation (LPS) is applied to investigate high-speed turbulent reacting flows. Here, LES solves a velocity field while LPS solves scalar transport equations with notional particles. Although LPS does not require sub-grid scale models for chemical source terms, molecular diffusion has to be modeled by a so-called mixing model, for which a mixing volume model (MVM), that is originally proposed for an inert scalar in incompressible flow, is extended to reactive scalars in compressible flows. The extended model is based on a relaxation process toward the average of nearby notional particles and assumes a common mixing timescale for all species. LES/LPS with the MVM is applied to a temporally-evolving compressible turbulent planar jet with an isothermal reaction and is tested by comparing the results with direct numerical simulation (DNS). The results show that LES/LPS well predicts the statistics of mass fractions. As the jet Mach number increases, the reaction progress delays due to the delayed jet development. This Mach number dependence is also well reproduced in LES/LPS. The mean molecular diffusion term of the product calculated as a function of its mass fraction also agrees well between LES/LPS and DNS. An important parameter for the MVM is the distance among particles, for which the requirement for accurate prediction is presented for the present test case. LES/LPS with the MVM is expected to be a promising method for investigating compressible turbulent reactive flows at a moderate computational cost.
日本語訳 (DeepL翻訳)
日本語タイトル
ラージ・エディ・シミュレーション（LES）とラグランジュ粒子シミュレーション（LPS）を組み合わせた高速乱流反応流の研究を行う．ここで，LES は速度場を解き，LPS は仮想粒子でスカラー輸送方程式を解く．LPSでは化学種項に対するサブグリッドスケールのモデルは不要であるが、分子拡散はいわゆる混合モデルでモデル化する必要がある。この混合モデルは、元来非圧縮性流れ中の不活性スカラーに対して提案された混合体積モデル（MVM）を圧縮性流れ中の反応性スカラーに拡張したものである。この拡張モデルは、近傍の想定粒子の平均に向かう緩和過程に基づいており、すべての種について共通の混合タイムスケールを仮定している。MVMを用いたLES/LPSを等温反応を伴う時間発展する圧縮性乱流平面噴流に適用し、その結果を直接数値シミュレーション（DNS）と比較して検証した。その結果、LES/LPSは質量分率の統計量をよく予測することがわかった。噴流のマッハ数が増加すると、噴流発達の遅れにより反応進行が遅れる。このマッハ数依存性はLES/LPSでもよく再現される。質量分率の関数として計算される生成物の平均分子拡散項も、LES/LPSとDNSの間でよく一致する。MVMの重要なパラメータは粒子間距離であり、今回のテストケースでは正確な予測に必要な条件が示された。MVMを用いたLES/LPSは、中程度の計算コストで圧縮性乱流反応流を調査するための有望な手法であると期待される。