Large Eddy Simulation of turbulent hydrogen-fuelled supersonic combustion in an air cross-flow
The main aim of this article is to provide a theoretical understanding of the physics of supersonic mixing and combustion. Research in advanced air-breathing propulsion systems able to push vehicles well beyond Ma = 4 is of interest worldwide. In a scramjet, the air stream flow captured by the inlet is decelerated but still maintains supersonic conditions. As the residence time is very short (∼1ms), the study of an efficient mixing and combustion is a key issue in the ongoing research on compressible flows. Due to experimental difficulties in measuring complex high-speed unsteady flow fields, the most convenient way to understand unsteady features of supersonic mixing and combustion is to use computational fluid dynamics. This work investigates supersonic combustion physics in the Hyshot II combustion chamber within the Large Eddy Simulation framework. The resolution of this turbulent compressible reacting flow requires: (1) highly accurate non-dissipative numerical schemes to properly simulate strong gradients near shock waves and turbulent structures away from these discontinuities; (2) proper modelling of the small subgrid scales for supersonic combustion, including effects from compressibility on mixing and combustion; (3) highly detailed kinetic mechanisms (the Warnatz scheme including 9 species and 38 reactions is adopted) accounting for the formation and recombination of radicals to properly predict flame anchoring. The simulation was performed by means of the ENEA homemade code HeaRT and it was runned on the CRESCO platform. Numerical results reveal the complex topology of the flow under investigation. The importance of baroclinic and dilatational effects on mixing and flame anchoring is evidenced. Moreover, their effects on turbulence-scale generation and the scaling law are analysed
Large Eddy Simulation di una camera di combustione supersonica idrogeno/aria
Lo scopo principale di questo articolo è quello di fornire una comprensione teorica della fisica della miscelazione supersonica e combustione nella camera di combustion dello scramjet Hyshot II. La ricerca di sistemi avanzati di propulsione in grado di spingere i veicoli ben oltre Ma = 4 è di interesse mondiale. In uno scramjet, il flusso di corrente d'aria catturato dalla presa d’aria, decelera, ma mantiene ancora condizioni supersoniche. Poiché il tempo di permanenza all’ interno della camera di combustione è molto breve (<1 ms), lo studio della miscelazione e della conseguente combustione in modo efficiente è una questione chiave nella ricerca sui flussi comprimibili reattivi. A causa delle difficoltà sperimentali, il modo più conveniente è quello di utilizzare la fluidodinamica computazionale. Un codice numerico che si prefigga un tale scopo richiede: (1) schemi numerici non dissipativi ad alta precisione per simulare correttamente forti gradienti vicino ad onde d'urto e le strutture turbolente lontano da queste discontinuità; (2) una corretta modellazione delle scale di sottogriglia per la combustione supersonica; (3) meccanismi cinetici molto dettagliati che descrivano adeguatamente la formazione e la ricombinazione dei radicali, principali responsabili dell’ ancoraggio della fiamma. La simulazione è stata eseguita mediante il codice ENEA “HeaRT” che ha utilizzato la piattaforma di calcolo CRESCO.
I risultati numerici rivelano la complessa topologia del flusso all’interno della camera di combustione e l'importanza del termine baroclinico e dilatazionale per incrementare la miscelazione e quindi l’efficienza della combustione
Donato Cecere, Eugenio Giacomazzi, Franca Rita Picchia, Nunzio M. Arcidiacono - ENEA, Sustainable Combustion Processes Laboratory