JP2012211757A - Program and method for numerically analyzing combusting flow - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a program for numerically analyzing a combusting flow, which can reduce computational loads in the numerical analysis of a flow associated with combustion, and also enhance versatility close to a detailed reaction model and prediction accuracy, and to provide a method for numerically analyzing a combusting flow.SOLUTION: The program for numerically analyzing a combusting flow includes: a chemical reaction condition database creating means 6 for obtaining a chemical reaction condition during combustion by a numerical analysis using a predetermined conserved scalar variable and storing the chemical reaction condition in a chemical reaction condition database 42; an instant/local conserved scalar variable obtaining means 7 for obtaining an instant/local conserved scalar variable by a numerical analysis; an instant/local chemical reaction condition calculation means 8 for calculating an instant/local chemical reaction condition; an instant/local physical property value calculation means 9 for calculating an instant/local physical property value; and a combusting flow analyzing means 10 for numerically analyzing the flow associated with combustion by using the instant/local chemical reaction condition and the instant/local physical property value.

Description

本発明は、水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法に関するものである。   The present invention relates to a combustion flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing a flow accompanying combustion of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidant.

現在、世界のエネルギー供給の約1/2は、水素燃料および炭化水素系燃料を用いるものが占めている。そのため、水素燃料および炭化水素系燃料を燃料とする燃焼技術の最適化は、COの排出量削減のための重要課題の一つである。 Currently, about half of the world's energy supply is made up of hydrogen and hydrocarbon fuels. Therefore, optimization of combustion technology using hydrogen fuel and hydrocarbon fuel as one of the fuels is one of the important issues for reducing CO 2 emissions.

一般的に、燃料と酸化剤との燃焼は、多数の分子種による多段反応により構成され、その燃焼過程は、主として、以下の関係により支配されている。
(1)化学反応素過程
(2)化学反応過程に存在する全ての化学種の質量保存則
(3)燃焼混合気の運動量保存則
(4)燃焼混合気のエネルギー保存則
Generally, combustion of a fuel and an oxidant is constituted by a multistage reaction with a large number of molecular species, and the combustion process is mainly governed by the following relationship.
(1) Chemical reaction elementary process (2) Mass conservation law for all chemical species present in chemical reaction process (3) Momentum conservation law for combustion mixture (4) Energy conservation law for combustion mixture

また、非定常、非均一な燃焼混合気の熱的条件を特定するためには、各化学種の熱的物性値および燃焼混合気の状態方程式を与える必要がある。   Moreover, in order to specify the thermal conditions of the unsteady and non-uniform combustion mixture, it is necessary to provide the thermal property values of each chemical species and the state equation of the combustion mixture.

例えば、化学反応素過程は、水素燃料を用いる場合には、9種の化学物質と21種の素反応よりなると考えられる。また、炭化水素系燃料を用いる場合には、30から数100種の化学物質と300から1000以上の素反応が関与するものと考えられている。   For example, the chemical reaction process is considered to consist of 9 chemical substances and 21 elementary reactions when hydrogen fuel is used. In the case of using a hydrocarbon fuel, it is considered that 30 to several hundred kinds of chemical substances and 300 to 1000 or more elementary reactions are involved.

また、化学反応の空間スケールおよび時間スケールは、流れの空間スケールおよび時間スケールに比べて約1/10と小空間・短時間の反応であり、数値解析における格子点数や時間刻みを流れの数値解析よりも細かくしなければならない。よって、このような多数の分子種による多段反応について近似モデルを使用せずに、直接、支配方程式の数値解析を行う場合、膨大な計算負荷を必要とする。そのため、化学反応素過程は詳細に検討されているものの、燃焼流れのような多種多段の化学反応と流れとを同時に数値解析することは困難とされていた。   In addition, the chemical reaction spatial scale and time scale are about 1/10 of the flow spatial scale and time scale, which is a reaction in a small space and in a short time. It must be finer than that. Therefore, when a numerical analysis of the governing equation is directly performed without using an approximate model for such a multistage reaction with a large number of molecular species, a huge calculation load is required. Therefore, although the chemical reaction element process has been studied in detail, it has been difficult to simultaneously analyze various multistage chemical reactions such as combustion flows and flows.

そのような認識の下、従来、化学反応をモデル化し、数値解析による計算負荷を低減させる方法が種々提案されている。例えば、化学反応を単純な過程として近似させる、いわゆる「簡易反応モデル」という方法(非特許文献1、非特許文献2)がある。この簡易反応モデルは、実際の反応に近似させた仮想的な化学反応を仮定し、経験的に定数を定めることにより化学反応を計算するものである。   Under such recognition, various methods have been proposed in the past for modeling chemical reactions and reducing the computational load by numerical analysis. For example, there is a so-called “simple reaction model” (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2) that approximates a chemical reaction as a simple process. This simple reaction model assumes a virtual chemical reaction approximated to an actual reaction and calculates a chemical reaction by empirically determining a constant.

また、ガスタービン、火炉、ロケットエンジン、ガソリンエンジン、ボイラー、化学合成装置等の実機装置における多くの燃焼現象は、燃料の種類によらない類似性を有し、燃料や酸化剤等が亜音速以下の比較的遅い速度で流れている場合においては、薄い火炎を形成することが知られており、その薄い火炎の形成を仮定してその特性関数により近似する「flamelet近似モデル」という方法(非特許文献3、非特許文献4)がある。   In addition, many combustion phenomena in actual equipment such as gas turbines, furnaces, rocket engines, gasoline engines, boilers, and chemical synthesizers have similarities that do not depend on the type of fuel, and fuel and oxidizers are subsonic. It is known that a thin flame is formed in the case of flowing at a relatively slow speed of the above, and a method called “framelet approximation model” that approximates the thin flame by its characteristic function assuming the formation of the thin flame (non-patent There are literature 3 and non-patent literature 4).

このflamelet近似モデルでは、燃料と酸化剤の燃焼混合気の拡散混合を表す保存スカラー変数を用いることで、予め化学反応の数値解析と流れの数値解析とを分離して数値解析を行うものである。   In this flamelet approximation model, the numerical analysis of the chemical reaction and the numerical analysis of the flow are separately performed in advance by using a conservative scalar variable representing the diffusion mixing of the combustion mixture of fuel and oxidant. .

日本機械学会著、「燃焼の数値計算」、丸善、2001年2月、p1、32、59−86The Japan Society of Mechanical Engineers, "Numerical calculation of combustion", Maruzen, February 2001, p1, 32, 59-86 橋本ほか、「A numerical analysis of pulverized combustion in a multi-burner furnace」、Energy & Fuels、米国、米国化学会、2007年6月29日、Vol.21、p1950−1958Hashimoto et al., “A numerical analysis of pulverized combustion in a multi-burner furnace”, Energy & Fuels, USA, American Chemical Society, June 29, 2007, Vol. 21, p1950-1958 Norbert PETERS著、「Turbulence combustion」、英国、Cambridge University Press、2000年、Vol.21、p170−236Norbert PETERS, “Turbulence combustion”, UK, Cambridge University Press, 2000, Vol. 21, p170-236 大島伸行、中島卓司、「燃焼流れLES」、日本ガスタービン学会誌、2007年7月、Vol.35、No.4、p9−14Nobuyuki Oshima, Takuji Nakajima, “Combustion Flow LES”, Journal of the Gas Turbine Society of Japan, July 2007, Vol. 35, no. 4, p9-14

しかしながら、非特許文献1および非特許文献2に記載されているような簡易反応モデルによる燃焼流れの数値解析方法では、経験的な定数が用いられるため、実際とは異なる仮想的な化学反応であり、理論的根拠が乏しく、適当な定数を与えることができなければ、結果が大きく異なるという問題がある。例えば、窒素酸化物等の特定生成物の反応に必要な微量化学種や副次的反応過程を欠くため、それらの予測には経験的モデルに頼らざるを得ない。また、化学反応過程における生成量を直接扱うため、乱流場を平均近似した際の見かけの反応促進を評価する必要があり、一般性や予測精度が劣ってしまう。   However, in the numerical analysis method of the combustion flow based on the simple reaction model as described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, since empirical constants are used, the chemical reaction is different from the actual one. There is a problem that the results are greatly different if the theoretical basis is poor and an appropriate constant cannot be given. For example, trace chemical species and side reaction processes necessary for the reaction of a specific product such as nitrogen oxide are lacking, and therefore, an empirical model must be relied upon for their prediction. In addition, since the production amount in the chemical reaction process is directly handled, it is necessary to evaluate the apparent reaction promotion when the turbulent field is approximated by an average, and the generality and the prediction accuracy are inferior.

また、非特許文献3および非特許文献4に記載されているようなflamelet近似モデルによる燃焼流れの数値解析方法では、多種の燃料あるいは流れや熱的条件の変化に対する汎用性に欠けており、適用範囲や解析精度が原理的に限定されているという問題がある。例えば、断熱条件の数値解析しかできないし、化学種とエンタルピーの拡散係数が近似的に一致するようにルイス数を1と仮定しなければならない。また、燃料は、1種類しか扱うことができず、その供給源の初期温度は1つの温度にしか設定できない。同様に、酸化剤も1種しか扱うことができず、その供給源の初期温度も1つの温度にしか設定できない。   In addition, the numerical analysis method of combustion flow by the flamelet approximation model as described in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 lacks versatility with respect to various fuels or changes in flow and thermal conditions. There is a problem that the range and analysis accuracy are limited in principle. For example, only numerical analysis of adiabatic conditions can be performed, and the Lewis number must be assumed to be 1 so that the diffusion coefficient of chemical species and enthalpy approximately match. Further, only one type of fuel can be handled, and the initial temperature of the supply source can be set to only one temperature. Similarly, only one oxidant can be handled, and the initial temperature of the supply source can be set to only one temperature.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、燃焼を伴う流れの数値解析における計算負荷を軽減するとともに、詳細な反応モデルに近い汎用性と予測精度を高めることのできる燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and reduces the calculation load in the numerical analysis of the flow accompanied by combustion, and improves versatility close to a detailed reaction model and prediction accuracy. It is an object to provide a combustion flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method.

本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムは、水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムであって、前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー変数のうち、所定の前記保存スカラー変数を用いて燃焼時の化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成手段と、前記保存スカラー変数の運動方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー変数を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー変数取得手段と、前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー変数を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出手段と、前記瞬時・局所化学反応条件および所定の物性値を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出手段と、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析手段としてコンピュータを機能させることを特徴としている。   A combustion flow numerical analysis program according to the present invention is a combustion flow numerical analysis program for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of a hydrogen fuel and / or a hydrocarbon-based fuel and an oxidant, the fuel, the oxidant, and those Among the plurality of stored scalar variables set based on each chemical composition in the combustion air-fuel mixture mixed with, a chemical reaction condition at the time of combustion is obtained by numerical analysis using the predetermined stored scalar variable, and the chemical reaction condition Chemical reaction condition database creation means for storing the chemical reaction condition database in the chemical reaction condition database, instantaneous / locally preserved scalar variable acquisition means for obtaining the instantaneous / locally preserved scalar variable by numerical analysis using the equation of motion of the preserved scalar variable, and the chemistry Using the chemical reaction conditions stored in the reaction condition database and the instantaneous and locally stored scalar variables Instantaneous / local chemical reaction condition calculating means for calculating time / local chemical reaction conditions; and instantaneous / local physical property value calculating means for calculating instantaneous / local physical property values using the instantaneous / local chemical reaction conditions and predetermined physical property values; The computer functions as combustion flow analysis means for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of the fuel, the oxidant, and the combustion mixture using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values. It is said.

また、本発明に係る燃焼流れ数値解析方法は、水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析方法であって、前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー変数のうち、所定の前記保存スカラー変数を用いて燃焼時の化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成ステップと、前記保存スカラー変数の運動方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー変数を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー変数取得ステップと、前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー変数を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出ステップと、前記瞬時・局所化学反応条件および所定の物性値を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出ステップと、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析ステップとを有することを特徴としている。   Further, the combustion flow numerical analysis method according to the present invention is a combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidant, wherein the fuel, the oxidant And a chemical reaction condition at the time of combustion is obtained by numerical analysis using a predetermined stored scalar variable among a plurality of stored scalar variables set based on each chemical composition in a combustion mixture in which they are mixed. A chemical reaction condition database creation step for storing reaction conditions in a chemical reaction condition database; an instantaneous / locally stored scalar variable acquisition step for acquiring an instantaneous / locally stored scalar variable by numerical analysis using the motion equation of the stored scalar variable; Using chemical reaction conditions stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous and locally stored scalar variables An instantaneous / local chemical reaction condition calculating step for calculating an instantaneous / local chemical reaction condition; and an instantaneous / local physical property value calculating step for calculating an instantaneous / local physical property value using the instantaneous / local chemical reaction condition and a predetermined physical property value; And a combustion flow analysis step for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of the fuel, the oxidant and the combustion mixture using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values. .

すなわち、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法は、水素燃料および炭化水素系燃料の燃焼過程における類似性に着目したflamelet近似モデルに基づく燃焼を伴う流れの解析に対して、従来の手法では経験的見地により選ばれていた指標変数を物理的および数学的に特定し、その組み合わせによる汎用的な燃焼流れの数値解析プログラムを構築したものである。   That is, the combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention provide a flow analysis with combustion based on a flamelet approximation model focusing on the similarity in the combustion process of hydrogen fuel and hydrocarbon fuel. In the conventional method, the index variables selected from the empirical viewpoint are physically and mathematically specified, and a general-purpose numerical analysis program for combustion flow is constructed by combining them.

また、本発明において、前記化学反応条件データベース作成手段が、4種類の保存スカラー変数を設定する保存スカラー変数設定部と、前記4種類の保存スカラー変数のうち所定の2種類の保存スカラー変数の値による任意の組合せを設定する変数値組合せ設定部と、他の2種類の保存スカラー変数の多項式近似により前記組合せにおける前記化学反応条件を取得する化学反応条件取得部と、取得された前記化学反応条件を前記化学反応条件データベースに記憶させるデータベース作成部とを備える構成としてもよい。   Further, in the present invention, the chemical reaction condition database creation means includes a stored scalar variable setting unit for setting four types of stored scalar variables, and values of predetermined two types of stored scalar variables among the four types of stored scalar variables. A variable value combination setting unit for setting an arbitrary combination according to the above, a chemical reaction condition acquisition unit for acquiring the chemical reaction condition in the combination by polynomial approximation of the other two types of stored scalar variables, and the acquired chemical reaction condition It is good also as a structure provided with the database preparation part which memorize | stores it in the said chemical reaction condition database.

さらに、本発明において、前記保存スカラー変数が、前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気に含まれる炭素の質量分率比に基づいて設定される質量分率比スカラー変数と、前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気のエンタルピー比に基づいて設定されるエンタルピースカラー変数と、前記燃料または前記燃焼混合気に含まれる水素と炭素の質量比に基づいて設定される燃料組成スカラー変数と、前記酸化剤または前記燃焼混合気に含まれる酸素と窒素の質量比に基づいて設定される酸化剤組成スカラー変数とであってもよい。   Further, in the present invention, the storage scalar variable is a mass fraction ratio scalar variable set based on a mass fraction ratio of carbon contained in the fuel, the oxidizer, and the combustion mixture, the fuel, An enthalpy piece color variable set based on an enthalpy ratio of an oxidant and the combustion mixture; a fuel composition scalar variable set based on a mass ratio of hydrogen and carbon contained in the fuel or the combustion mixture; and It may be an oxidant or a oxidant composition scalar variable set based on a mass ratio of oxygen and nitrogen contained in the combustion mixture.

すなわち、保存スカラー変数を水素燃料(H)および/または炭化水素系燃料(C)の燃料と、酸素(O)および/または空気(O+N+微量の不活性希ガス)の酸化剤との燃焼を対象にした場合、水素H、炭素C、酸素Oおよび窒素Nのそれぞれの質量保存則と、全エンタルピーの保存則とが成り立つことに基づいて設定することにより、flamelet近似モデルにおける、断熱条件、ルイス数=1の条件、燃料および酸化剤は各1種の条件等の数値解析上の制限を必要としないようにしている。 That is, the storage scalar variables are defined as hydrogen fuel (H 2 ) and / or hydrocarbon fuel (C n H m ), oxygen (O 2 ) and / or air (O 2 + N 2 + a small amount of inert noble gas). ) In the case of combustion with an oxidant, by setting the mass conservation law of hydrogen H, carbon C, oxygen O and nitrogen N and the conservation law of total enthalpy, In the approximate model, the heat insulation condition, the condition of Lewis number = 1, the fuel and the oxidant do not need to be restricted in numerical analysis such as one kind of condition each.

また、本発明において、前記燃焼流れ解析手段が、ラージ・エディ・シミュレーション法に基づく解析手段であってもよい。   In the present invention, the combustion flow analysis means may be analysis means based on a large eddy simulation method.

すなわち、実機装置において重要な乱流燃焼モデルへの拡張性として、空間平均化方程式により非定常計算を行うラージ・エディ・シミュレーション(Large eddy simulation :LES)法を採用し、定式化およびプログラムへの実装を行うことにより、乱流燃焼流れのシミュレーションを可能にしている。   In other words, the large eddy simulation (LES) method, which performs unsteady calculation using the spatial averaging equation, is adopted as an extension to the turbulent combustion model that is important in actual equipment. The implementation enables simulation of turbulent combustion flow.

本発明によれば、燃焼を伴う流れの数値解析における計算負荷を軽減するとともに、詳細な反応モデルに近い汎用性と予測精度を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while reducing the calculation load in the numerical analysis of the flow accompanying combustion, the versatility close | similar to a detailed reaction model and prediction accuracy can be improved.

本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムを備えたコンピュータの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of a computer provided with a combustion flow numerical analysis program concerning the present invention. 本実施形態の燃焼場および想定される燃料組成スカラー変数ξの値の範囲を示す概略図である。It is the schematic which shows the range of the value of the combustion field of this embodiment, and the fuel composition scalar variable (xi) f assumed. 本実施形態の変数値組合せ設定部により設定される2種類の保存スカラー変数の任意の組合せを示す概略図である。It is the schematic which shows the arbitrary combinations of two types of preservation | save scalar variables set by the variable value combination setting part of this embodiment. 本実施形態の瞬時・局所化学反応条件算出手段における瞬時・局所化学反応条件の算出例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of calculation of the instantaneous and local chemical reaction conditions in the instantaneous and local chemical reaction condition calculation means of this embodiment. 本実施形態の各構成の機能を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function of each structure of this embodiment. 本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法における処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of a process in the combustion flow numerical analysis program and combustion flow numerical analysis method of this embodiment. 本実施形態の化学反応条件データベース作成手段における処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the process in the chemical reaction condition database preparation means of this embodiment. 本実施例1における解析対象とした3重拡散バーナを模した円筒状の燃焼流れ場を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cylindrical combustion flow field imitating the triple diffusion burner made into the analysis object in this Example 1. FIG. 本実施例1における解析対象とした燃焼流れ場の3重拡散バーナ部分を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the triple diffusion burner part of the combustion flow field made into the analysis object in Example 1. FIG. 本実施例1の化学反応条件データベース作成手段により作成された密度のデータベースを示す3次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows the database of the density created by the chemical reaction condition database creation means of the present Example 1. 本実施例1の燃焼流れ場におけるX−Y断面の質量分率比スカラー変数ξの時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the mass fraction ratio scalar variable (xi) of the XY cross section in the combustion flow field of the present Example 1. 本実施例1の燃焼流れ場におけるX−Y断面の酸化剤組成スカラー変数ξの時間平均値を示す分布図である。FIG. 6 is a distribution diagram showing a time average value of an oxidant composition scalar variable ξ o in the XY cross section in the combustion flow field of the first embodiment. 本実施例1の燃焼流れ場におけるX−Y断面の温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature of the XY cross section in the combustion flow field of the present Example 1. flamelet近似モデルにより解析された燃焼流れ場におけるX−Y断面の質量分率比スカラー変数ξの時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the mass fraction ratio scalar variable (xi) of the XY cross section in the combustion flow field analyzed by the flamelet approximation model. flamelet近似モデルにより解析された燃焼流れ場におけるX−Y断面の温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature of the XY cross section in the combustion flow field analyzed by the flamelet approximation model. 本実施例1およびflamelet近似モデルによるX=100mmの位置におけるY軸上での温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature on the Y-axis in the position of X = 100mm by the present Example 1 and a flamelet approximation model. 本実施例1およびflamelet近似モデルによるX=300mmの位置におけるY軸上での温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature on the Y-axis in the position of X = 300mm by the present Example 1 and a flamelet approximation model. 本実施例1およびflamelet近似モデルによるX=500mmの位置におけるY軸上での温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature on the Y-axis in the position of X = 500mm by the present Example 1 and a flamelet approximation model. 本実施例1およびflamelet近似モデルによるX=700mmの位置におけるY軸上での温度の時間平均値を示す分布図である。It is a distribution map which shows the time average value of the temperature on the Y-axis in the position of X = 700mm by the present Example 1 and a flamelet approximation model.

以下、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法の一実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本実施形態における燃焼流れ数値解析プログラム1aを備えたコンピュータ1の構成を示すブロック図である。   Hereinafter, an embodiment of a combustion flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a computer 1 provided with a combustion flow numerical analysis program 1a in the present embodiment.

本実施形態におけるコンピュータ1は、主として、入力手段2、表示手段3、記憶手段4および演算処理手段5から構成されている。以下、各構成について詳細に説明する。   The computer 1 in this embodiment is mainly composed of an input unit 2, a display unit 3, a storage unit 4 and an arithmetic processing unit 5. Hereinafter, each configuration will be described in detail.

入力手段2は、テキストや数値を入力する操作キー、操作マウス等からなる。本実施形態においては、燃焼流れ数値解析プログラム1aを実行する際に用いられる初期条件、設定条件等の数値の入力操作等に用いることができるようになっている。   The input means 2 includes an operation key for inputting text and numerical values, an operation mouse, and the like. In the present embodiment, it can be used for input operations of numerical values such as initial conditions and setting conditions used when executing the combustion flow numerical analysis program 1a.

表示手段3は、画像やテキストデータを表示する液晶ディスプレーやCRTディスプレー、タッチパネル等からなり、燃焼流れ数値解析プログラム1aにおけるユーザーインターフェースとして、入力手段により入力された内容や解析結果等を表示できるようになっている。   The display means 3 is composed of a liquid crystal display, a CRT display, a touch panel, etc. for displaying images and text data, and can display the contents inputted by the input means, analysis results, etc. as a user interface in the combustion flow numerical analysis program 1a. It has become.

記憶手段4は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、ハードディスク、フラッシュメモリ等によって構成されており、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段5が演算を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。   The storage unit 4 includes a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a hard disk, a flash memory, and the like. The storage unit 4 stores various data and a working area when the arithmetic processing unit 5 performs an operation. It functions as.

本実施形態において、記憶手段4は、図1に示すように、主として、燃焼流れ数値解析プログラム1aを記憶するプログラム記憶部41と、後述する演算処理手段5の化学反応条件データベース作成手段6により取得された化学反応条件を記憶させておく化学反応条件データース42と、予め実験により計測された物性値や理論的に取得された物性値を記憶させておく物性値データベース43とを有する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the storage unit 4 is obtained mainly by a program storage unit 41 that stores the combustion flow numerical analysis program 1 a and a chemical reaction condition database creation unit 6 of the arithmetic processing unit 5 described later. A chemical reaction condition database 42 for storing the chemical reaction conditions, and a physical property value database 43 for storing physical property values measured in advance by experiments or theoretically obtained physical property values.

演算処理手段5は、CPU(Central Processing Unit)等から構成されており、記憶手段4にインストールされた燃焼流れ数値解析プログラム1aを実行させることにより、図1に示すように、化学反応条件データベース作成手段6、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7、瞬時・局所化学反応条件算出手段8、瞬時・局所物性値算出手段9および燃焼流れ解析手段10としてコンピュータ1を機能させるようになっている。以下、演算処理手段5の各構成部についてより詳細に説明する。   The arithmetic processing means 5 is composed of a CPU (Central Processing Unit) or the like, and creates a chemical reaction condition database as shown in FIG. 1 by executing a combustion flow numerical analysis program 1a installed in the storage means 4. The computer 1 is made to function as means 6, instantaneous / locally stored scalar variable acquisition means 7, instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8, instantaneous / local physical property value calculation means 9, and combustion flow analysis means 10. Hereinafter, each component of the arithmetic processing means 5 will be described in more detail.

化学反応条件データベース作成手段6は、燃料、酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー変数を用いて、前記保存スカラー変数に対する温度、密度および化学種分率からなる化学反応条件を取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベース42に保存するものである。本実施形態では、図1に示すように、保存スカラー変数設定部61、変数値組合せ設定部62、化学反応条件取得部63およびデータベース作成部64から構成されている。   The chemical reaction condition database creation means 6 uses a plurality of stored scalar variables set based on each chemical composition in the fuel, the oxidant, and the combustion mixture in which they are mixed, and uses the temperature, density, and chemistry for the stored scalar variables. A chemical reaction condition consisting of the seed fraction is acquired, and the chemical reaction condition is stored in the chemical reaction condition database 42. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a storage scalar variable setting unit 61, a variable value combination setting unit 62, a chemical reaction condition acquisition unit 63, and a database creation unit 64 are configured.

保存スカラー変数設定部61は、4種類の保存スカラー変数を設定するものである。本実施形態では、質量分率比スカラー変数ξと、エンタルピースカラー変数ξと、燃料組成スカラー変数ξと、酸化剤組成スカラー変数ξとが保存スカラー変数として設定される。これらの保存スカラー変数は、水素燃料(H)および/または炭化水素系燃料(C)の燃料と、酸素(O)および/または空気(O+N+微量の不活性希ガス)の酸化剤との燃焼を対象とした場合、水素H、炭素C、酸素Oおよび窒素Nのそれぞれの質量保存則と、全エンタルピーの保存則とが成り立つことに基づいて設定したものである。 The storage scalar variable setting unit 61 sets four types of storage scalar variables. In the present embodiment, the mass fraction ratio scalar variable ξ, the enthalpy piece color variable ξ h , the fuel composition scalar variable ξ f, and the oxidant composition scalar variable ξ o are set as the storage scalar variables. These conservative scalar variables include hydrogen fuel (H 2 ) and / or hydrocarbon-based fuel (C n H m ) fuel, oxygen (O 2 ) and / or air (O 2 + N 2 + trace amounts of inert rare). When combustion with an oxidant of gas) is set as a target, the mass conservation laws of hydrogen H, carbon C, oxygen O, and nitrogen N and the conservation law of total enthalpy are established. .

質量分率比スカラー変数ξは、炭素Cの質量保存則に基づき設定されるものであり、燃料に含まれる炭素Cの質量分率Z、酸化剤に含まれる炭素Cの質量分率Zおよび燃焼混合気に含まれる炭素Cの質量分率Zの比によって、以下の式(1)により表される。
・・・式(1)
また、この質量分率比スカラー変数ξの運動方程式は、以下の式(2)により表される。
・・・式(2)
The mass fraction ratio scalar variable ξ is set based on the carbon C mass conservation law, and the mass fraction Z f of the carbon C contained in the fuel and the mass fraction Z o of the carbon C contained in the oxidant. And the ratio of the mass fraction Z of carbon C contained in the combustion mixture is expressed by the following formula (1).
... Formula (1)
Further, the equation of motion of the mass fraction ratio scalar variable ξ is expressed by the following equation (2).
... Formula (2)

なお、この質量分率比スカラー変数ξは、flamelet近似モデルで用いられる保存スカラー変数と同じものである。   The mass fraction ratio scalar variable ξ is the same as the conserved scalar variable used in the framelet approximation model.

また、エンタルピースカラー変数ξは、全エンタルピーの保存則に基づき設定されるものであり、燃料の全エンタルピーhと、酸化剤の全エンタルピーhと、燃焼混合気の全エンタルピーhとの比によって、以下の式(3)により表される。
・・・式(3)
また、このエンタルピースカラー変数ξの運動方程式は、以下の式(4)により表される。
・・・式(4)
Further, the enthalpy scalar variable xi] h is intended to be set on the basis of the conservation law of total enthalpy, the ratio of the total enthalpy h f of the fuel, and the total enthalpy h o of the oxidizing agent, the total enthalpy h of combustion mixture Is represented by the following equation (3).
... Formula (3)
The equation of motion of the enthal piece color variable ξ h is expressed by the following equation (4).
... Formula (4)

さらに、燃料組成スカラー変数ξは、燃料に含まれる炭素Cおよび水素Hの質量保存則に基づき設定されるものであり、燃料あるいは燃焼混合気に含まれる炭素Cと水素Hの質量比によって、以下の式(5)により表される。
・・・式(5)
また、この燃料組成スカラー変数ξの運動方程式は、以下の式(6)により表される。
・・・式(6)
Further, the fuel composition scalar variable ξ f is set based on the law of conservation of mass of carbon C and hydrogen H contained in the fuel, and depends on the mass ratio of carbon C and hydrogen H contained in the fuel or combustion mixture. It is represented by the following formula (5).
... Formula (5)
The equation of motion of the fuel composition scalar variable ξ f is expressed by the following equation (6).
... Formula (6)

また、酸化剤組成スカラー変数ξは、酸化剤に含まれる酸素Oと窒素Nの質量保存則に基づき設定されるものであり、酸化剤あるいは燃焼混合気に含まれる酸素Oと窒素Nの質量比によって、以下の式(7)により表される。
・・・式(7)
また、この酸化剤組成スカラー変数ξの運動方程式は、以下の式(8)により表される。
・・・式(8)
The oxidant composition scalar variable ξ o is set based on the law of conservation of mass of oxygen O and nitrogen N contained in the oxidant, and the mass of oxygen O and nitrogen N contained in the oxidant or combustion mixture. Depending on the ratio, it is expressed by the following equation (7).
... Formula (7)
Further, the equation of motion of the oxidant composition scalar variable ξ o is expressed by the following equation (8).
... Formula (8)

なお、式(2)、式(4)、式(6)および式(8)における、μは粘性係数を、Scはシュミット数を、Prはプラントル数を表している。   In Expressions (2), (4), (6), and (8), μ represents the viscosity coefficient, Sc represents the Schmitt number, and Pr represents the Prandtl number.

変数値組合せ設定部62は、保存スカラー変数設定部61で設定された4種類の保存スカラー変数のうち、所定の2種類の保存スカラー変数の値による任意の組合せを設定するためのものである。本実施形態では、燃料組成スカラー変数ξと酸化剤組成スカラー変数ξとを用いている。また、任意の組合せは、燃焼条件の範囲内で想定される保存スカラー変数の値の範囲内で設定される。例えば、図2に示すように、燃焼場と使用される燃料および酸化剤の種類を設定することで、想定される燃料組成スカラー変数ξの値の範囲aからaが設定される。 The variable value combination setting unit 62 is for setting an arbitrary combination based on the values of predetermined two types of stored scalar variables among the four types of stored scalar variables set by the stored scalar variable setting unit 61. In this embodiment, a fuel composition scalar variable ξ f and an oxidant composition scalar variable ξ o are used. Arbitrary combinations are set within the range of the value of the conserved scalar variable assumed within the range of the combustion conditions. For example, as shown in FIG. 2, by setting the fuel and the type of oxidizing agent used and the combustion field, a n is set in the range a 1 of the value of the fuel composition scalar variable xi] f envisaged.

よって、本実施形態における変数値組合せ設定部62は、図3に示すように、燃焼条件の範囲内で想定される燃料組成スカラー変数ξの値aからaを適当な間隔に分割するとともに、その燃焼条件の範囲内で想定される酸化剤組成スカラー変数ξの値AからAを適当な間隔に分割することで任意の組合せを設定している。 Therefore, the variable value combinations set unit 62 in the present embodiment, as shown in FIG. 3, to divide the a n to a suitable distance from the value a 1 of the fuel composition scalar variable xi] f which are contemplated within the scope of the combustion conditions together, they are set any combination by dividing the value a 1 of the are contemplated within the scope of the combustion conditions oxidant composition scalar variable xi] o the a m the appropriate intervals.

化学反応条件取得部63は、変数値組合せ設定部62により設定された2種類の保存スカラー変数の各組合せにおける化学反応条件を、他の2種類の保存スカラー変数の多項式近似により取得するものである。よって、本実施形態では、質量分率比スカラー変数ξとエンタルピースカラー変数ξとの多項式近似により化学反応条件を取得するようになっている。 The chemical reaction condition acquisition unit 63 acquires the chemical reaction condition in each combination of the two types of stored scalar variables set by the variable value combination setting unit 62 by polynomial approximation of the other two types of stored scalar variables. . Therefore, in this embodiment, so as to obtain a chemical reaction conditions by polynomial approximation of the mass fraction ratio scalar variables xi] and enthalpy scalar variable xi] h.

具体的には、前記変数値組合せ設定部62により設定された燃料組成スカラー変数ξの値aからaと酸化剤組成スカラー変数ξの値AからAとの組合せに対して、質量分率比スカラー変数ξおよびエンタルピースカラー変数ξをそれぞれの燃焼条件の範囲内で各値を少しずつ変化させ、化学反応条件を質量分率比スカラー変数ξおよびエンタルピースカラー変数ξの2変数多項式によって近似している。 Specifically, for the combination of the value A 1 from the value a 1 of the set fuel composition scalar variable xi] f a n and oxidant composition scalar variable xi] o and A m by the variable value combinations setter 62 The mass fraction ratio scalar variable ξ and the enthalpy piece color variable ξ h are slightly changed within the range of the respective combustion conditions, and the chemical reaction condition is changed to 2 of the mass fraction ratio scalar variable ξ and the enthalpiece color variable ξ h . It is approximated by a variable polynomial.

そして、データベース作成部64は、前記化学反応条件取得部63により取得された各組合せにおける化学反応条件を記憶手段4の化学反応条件データース42に記憶させるものである。   The database creation unit 64 stores the chemical reaction conditions for each combination acquired by the chemical reaction condition acquisition unit 63 in the chemical reaction condition database 42 of the storage unit 4.

なお、粘性係数μ、シュミット数Scおよびプラントル数Prの算定が必要ない場合、または、予測出力したい化学種の質量の算出が必要ない場合には、化学反応条件のうち化学種分率の取得および化学反応条件データベース42への記憶は省略することができる。   When calculation of the viscosity coefficient μ, Schmidt number Sc, and Prandtl number Pr is not necessary, or when calculation of the mass of the chemical species to be predicted is not required, acquisition of the chemical species fraction among the chemical reaction conditions and Storage in the chemical reaction condition database 42 can be omitted.

次に、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7、瞬時・局所化学反応条件算出手段8、瞬時・局所物性値算出手段9および燃焼流れ解析手段10について説明する。これらの手段は、化学反応条件データベース作成手段6により作成された化学反応条件データベース42の化学反応条件を用いて燃焼を伴う流れを数値解析するためのものである。   Next, the instantaneous / local stored scalar variable acquisition means 7, the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8, the instantaneous / local physical property value calculation means 9, and the combustion flow analysis means 10 will be described. These means are for numerical analysis of the flow accompanied by combustion using the chemical reaction conditions of the chemical reaction condition database 42 created by the chemical reaction condition database creation means 6.

まず、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7は、保存スカラー変数の運動方程式、式(2)、式(4)、式(6)および式(8)を用いて、瞬時・局所保存スカラー変数を数値解析により取得するものである。   First, the instantaneous / locally stored scalar variable acquisition means 7 uses the equation of motion of the stored scalar variable, Equation (2), Equation (4), Equation (6), and Equation (8) to calculate the instantaneous / locally stored scalar variable. It is obtained by numerical analysis.

本実施形態では、燃料組成スカラー変数ξの運動方程式である式(6)と、酸化剤組成スカラー変数ξの運動方程式である式(8)とを連成して、その数値解を求めることにより、瞬時かつ局所の燃料組成スカラー変数ξおよび瞬時かつ局所の酸化剤組成スカラー変数ξを取得するようになっている。 In this embodiment, Equation (6), which is the equation of motion of the fuel composition scalar variable ξ f , and Equation (8), which is the equation of motion of the oxidizer composition scalar variable ξ o , are combined to obtain a numerical solution. Thus, the instantaneous and local fuel composition scalar variable ξ f and the instantaneous and local oxidant composition scalar variable ξ o are obtained.

瞬時・局所化学反応条件算出手段8は、前記化学反応条件データベース42に記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー変数を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出するものである。   The instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 calculates the instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database 42 and the instantaneous / local stored scalar variable.

例えば、図4に示すように、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7により取得された瞬時かつ局所の燃料組成スカラー変数ξおよび瞬時かつ局所の酸化剤組成スカラー変数ξの組合せが(a,A)であった場合、その組合せ(a,A)に近傍する化学反応条件データベース42に記憶された燃料組成スカラー変数ξと酸化剤組成スカラー変数ξの4つの組合せ(a,A)、(a,Az+1)、(ay+1,A)、(ay+1,Az+1)における化学反応条件を取得し、その4つの組合せと瞬時・局所の組合せとの差分等から瞬時・局所化学反応条件を算出するようになっている。 For example, as shown in FIG. 4, the combination of the instantaneous and local fuel composition scalar variable ξ f and the instantaneous and local oxidant composition scalar variable ξ o acquired by the instantaneous / locally stored scalar variable acquisition means 7 is (a x , A x ), four combinations of the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o stored in the chemical reaction condition database 42 adjacent to the combination (a x , A x ) (a y , A z ), (a y , A z + 1 ), (a y + 1 , A z ), (a y + 1 , A z + 1 ) are obtained, and the difference between the four combinations and the instantaneous / local combination The instantaneous and local chemical reaction conditions are calculated from the above.

なお、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7により取得された瞬時・局所保存スカラー変数に対する瞬時・局所化学反応条件の算出方法は上記のものに限定されるものではなく、例えば、取得された瞬時・局所保存スカラー変数に最も近い保存スカラー変数の組合せにおける化学反応条件を瞬時・局所化学条件としてもよい。   Note that the method for calculating the instantaneous / local chemical reaction condition for the instantaneous / locally stored scalar variable acquired by the instantaneous / locally stored scalar variable acquiring means 7 is not limited to the above-described one. The chemical reaction condition in the combination of the conserved scalar variables closest to the local conserved scalar variable may be the instantaneous / local chemical condition.

瞬時・局所物性値算出手段9は、前記瞬時・局所化学反応条件算出手段8により算出された瞬時・局所化学反応条件および所定の物性値を用いて瞬時・局所物性値を算出するものである。   The instantaneous / local physical property value calculating means 9 calculates an instantaneous / local physical property value using the instantaneous / local chemical reaction condition calculated by the instantaneous / local chemical reaction condition calculating means 8 and a predetermined physical property value.

本実施形態においては、予め実験や理論計算等により取得された物性値を記憶手段4の物性値データベース43に記憶させておき、瞬時・局所化学反応条件、すなわち瞬時かつ局所の温度、瞬時かつ局所の密度および瞬時かつ局所の化学種分率における、粘性係数μ、シュミット数Scおよびプラントル数Pr等の流れの数値解析に必要な物性値を前記物性値データベース43から取得し、瞬時・局所物性値を算出するものである。   In the present embodiment, physical property values acquired in advance by experiments, theoretical calculations, etc. are stored in the physical property value database 43 of the storage means 4, and instantaneous / local chemical reaction conditions, that is, instantaneous and local temperature, instantaneous and local The physical property values necessary for the numerical analysis of the flow such as the viscosity coefficient μ, the Schmidt number Sc, and the Prandtl number Pr at the density and the instantaneous and local chemical fraction are obtained from the physical property database 43, and the instantaneous and local physical property values are obtained. Is calculated.

燃焼流れ解析手段10は、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析するものである。   The combustion flow analyzing means 10 numerically analyzes the flow accompanied by combustion of the fuel, the oxidant, and the combustion mixture using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values.

本実施形態においては、流れを解析する解析方法として、ラージ・エディ・シミュレーション法が用いられている。このラージ・エディ・シミュレーション法は、乱流渦を空間的に平均化する処理を施した乱流モデルによるシミュレーションである。なお、式(2)、式(4)、式(6)および式(8)の運動方程式は、全て生成項を持たない保存形式で与えられているため、乱流燃焼に適用した際に平均化された方程式が統一的かつ容易に導出され、高い近似精度を得ることができる。   In the present embodiment, a large eddy simulation method is used as an analysis method for analyzing a flow. This large eddy simulation method is a simulation based on a turbulent flow model in which turbulent vortices are spatially averaged. Note that the equations of motion of Equation (2), Equation (4), Equation (6), and Equation (8) are all given in a conserved form that does not have a generation term. The unified equations can be derived uniformly and easily, and high approximation accuracy can be obtained.

式(2)、式(4)、式(6)および式(8)を空間平均化した方程式は、それぞれ以下のように導出される。
・・・式(2’)
・・・式(4’)
・・・式(6’)
・・・式(8’)
Equations obtained by spatially averaging Equations (2), (4), (6), and (8) are derived as follows.
... Formula (2 ')
... Formula (4 ')
... Formula (6 ')
... Formula (8 ')

ここで、上付の−は空間平均、上付の〜は空間ファブル平均(「密度重み平均」ともいう)を表し、添字のSGSは空間平均以下の変動影響を表すサブグリッドスケールモデル定数を表している。   Here, the superscript-represents the spatial average, the superscript ~ represents the spatial fable average (also referred to as “density weight average”), and the subscript SGS represents the subgrid scale model constant representing the fluctuation effect below the spatial average. ing.

本実施形態においては、上記式(2’)、式(4’)、式(6’)および式(8’)をラージ・エディ・シミュレーション法に基づき数値解析することにより、流れの計算を行っている。   In this embodiment, the flow is calculated by numerically analyzing the above equations (2 ′), (4 ′), (6 ′), and (8 ′) based on the large eddy simulation method. ing.

なお、燃焼流れ解析手段10は、ラージ・エディ・シミュレーション法によるものに限定されるものではなく、モデルを用いずに直接ナビエストークス方程式を解く方法や、レイノルズ平均モデルといった他のモデルを用いる方法等から適宜選択することができる。   The combustion flow analyzing means 10 is not limited to the one based on the large eddy simulation method, but a method for directly solving the Navier-Stokes equation without using a model, a method using another model such as a Reynolds average model, etc. Can be appropriately selected.

次に、本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラム1aにおける各構成の作用および燃焼流れ数値解析方法について、図5に示す各構成の機能を示す機能ブロック図および図6に示すフローチャートを用いて説明する。   Next, the operation of each component in the combustion flow numerical analysis program 1a of this embodiment and the combustion flow numerical analysis method will be described with reference to a functional block diagram showing the function of each component shown in FIG. 5 and a flowchart shown in FIG. .

図5に示すように、まず、化学反応条件データベース作成手段6が、保存スカラー変数を用いて化学反応条件を数機解析により取得し、記憶手段4内に記憶させて化学反応条件データベース42を作成する(ステップS1)。以下、図7を用いて、本実施形態における化学反応条件データベース作成手段6による化学反応条件データベース42の作成手順を説明する。   As shown in FIG. 5, first, the chemical reaction condition database creation means 6 obtains the chemical reaction conditions by a mathematical analysis using the stored scalar variables and stores them in the storage means 4 to create the chemical reaction condition database 42. (Step S1). Hereinafter, the creation procedure of the chemical reaction condition database 42 by the chemical reaction condition database creation means 6 in the present embodiment will be described with reference to FIG.

化学反応条件データベース作成手段6の保存スカラー変数設定部61は、式(1)に示す質量分率比スカラー変数ξ、式(3)に示すエンタルピースカラー変数ξ、式(5)に示す燃料組成スカラー変数ξおよび式(7)に示す酸化剤組成スカラー変数ξの4種類の保存スカラー変数を設定する(ステップS11)。 The stored scalar variable setting unit 61 of the chemical reaction condition database creation means 6 includes a mass fraction ratio scalar variable ξ shown in equation (1), an enthalpy piece color variable ξ h shown in equation (3), and a fuel composition shown in equation (5). Four types of stored scalar variables are set, the scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o shown in equation (7) (step S11).

次に、変数組合せ設定部62により、燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの2種類の保存スカラー変数の値の任意の組合せを設定する(ステップS12)。具体的には、図3に示すように、燃焼条件に基づき、燃料組成スカラー変数ξの値として想定しうるaからaを分割するとともに、酸化剤組成スカラー変数ξの値として想定しうるAからAを分割し、それらの組合せとして設定する。 Next, the variable combination setting unit 62 sets an arbitrary combination of the values of the two types of stored scalar variables, the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o (step S12). Specifically, as shown in FIG. 3, based on the combustion conditions, as well as divide a n from a 1 assumable as the value of the fuel composition scalar variable xi] f, assuming the value of the oxidizing agent composition scalar variable xi] o The possible A 1 to Am are divided and set as a combination thereof.

次に、化学反応条件取得部63により、変数値組合せ設定部62により設定された燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの各組合せにおける温度、密度および化学種分率からなる反応条件を、他の2種類の保存スカラー変数である質量分率比スカラー変数ξとエンタルピースカラー変数ξとの多項式近似により取得する(ステップS13)。 Next, a reaction comprising temperature, density, and chemical species fraction in each combination of the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o set by the variable value combination setting unit 62 by the chemical reaction condition acquisition unit 63. The condition is acquired by polynomial approximation of the other two types of stored scalar variables, the mass fraction ratio scalar variable ξ and the enthalpy piece color variable ξ h (step S13).

そして、データベース作成部64が、前記化学反応条件取得部63により取得された各組合せにおける化学反応条件を記憶手段4の化学反応条件データース42に記憶させる(ステップS14)。燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの各組合せにおける化学反応条件データベースの作成が終了したら、次のステップへと進む(return)。 And the database preparation part 64 memorize | stores the chemical reaction condition in each combination acquired by the said chemical reaction condition acquisition part 63 in the chemical reaction condition database 42 of the memory | storage means 4 (step S14). When the creation of the chemical reaction condition database for each combination of the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o is completed, the process proceeds to the next step (return).

瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7は、燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの運動方程式を連成して、その数値解を求めることにより、瞬時かつ局所の燃料組成スカラー変数ξおよび瞬時かつ局所の酸化剤組成スカラー変数ξを取得する(ステップS2)。 The instantaneous / locally stored scalar variable acquisition means 7 combines the equations of motion of the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o and obtains a numerical solution thereof, thereby obtaining an instantaneous and local fuel composition scalar variable. ξ f and an instantaneous and local oxidant composition scalar variable ξ o are acquired (step S2).

そして、瞬時・局所化学反応条件算出手段8は、図5に示すように、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段7から瞬時かつ局所の燃料組成スカラー変数ξおよび瞬時かつ局所の酸化剤組成スカラー変数ξを取得するとともに、それらの瞬時・局所保存スカラー変数の組合せに近傍する燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの組合せの化学反応条件を化学反応条件データベース42から読み出し、読み出された化学反応条件に基づいて瞬時・局所化学反応条件を算出する(ステップS3)。 Then, as shown in FIG. 5, the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 receives the instantaneous and local fuel composition scalar variable ξ f and the instantaneous and local oxidant composition scalar variable from the instantaneous / local storage scalar variable acquisition means 7. ξ o is acquired, and the chemical reaction conditions of the combination of the fuel composition scalar variable ξ f and the oxidant composition scalar variable ξ o close to the combination of the instantaneous and locally stored scalar variables are read from the chemical reaction condition database 42 and read. Instantaneous / local chemical reaction conditions are calculated based on the chemical reaction conditions that have been issued (step S3).

次に、瞬時・局所物性値算出手段9は、図5に示すように瞬時・局所化学反応条件算出手段8から瞬時・局所化学反応条件を取得するとともに、当該瞬時・局所化学反応条件に同一または近似する物性値を物性値データベース43から読み出し、瞬時・局所物性値を算出する(ステップS4)。本実施形態では、当該瞬時・局所の温度、密度および化学種分率に基づいた粘性係数μ、シュミット数Scおよびプラントル数Prが算出される。   Next, the instantaneous / local physical property value calculating means 9 acquires the instantaneous / local chemical reaction condition from the instantaneous / local chemical reaction condition calculating means 8 as shown in FIG. The approximate physical property value is read from the physical property value database 43, and the instantaneous / local physical property value is calculated (step S4). In the present embodiment, the viscosity coefficient μ, the Schmidt number Sc, and the Prandtl number Pr based on the instantaneous / local temperature, density, and chemical species fraction are calculated.

そして、燃焼流れ解析手段10では、図5に示すように、瞬時・局所化学反応条件算出手段8から瞬時・局所化学反応条件を取得するとともに、瞬時・局所物性値算出手段9から瞬時・局所物性値を取得する。そして、取得された瞬時・局所化学反応条件および瞬時・局所物性値と、上記式(2’)、式(4’)、式(6’)および式(8’)を用いて、ラージ・エディ・シミュレーション法により、燃焼を伴う流れを数値解析する(ステップS5)。   As shown in FIG. 5, the combustion flow analyzing means 10 acquires the instantaneous / local chemical reaction conditions from the instantaneous / local chemical reaction condition calculating means 8, and the instantaneous / local physical property value calculating means 9 to obtain the instantaneous / local physical reaction conditions. Get the value. Then, using the obtained instantaneous / local chemical reaction conditions and instantaneous / local physical property values, the above formula (2 ′), formula (4 ′), formula (6 ′) and formula (8 ′), -Numerically analyze the flow accompanied by combustion by the simulation method (step S5).

以上のような本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
1.断熱条件の仮定やルイス数の仮定を必要としないため、より実機に近い燃焼を伴う流れの数値解析を行うことができる。
2.多種燃料および/または多種酸化剤による燃焼を伴う流れの数値解析ができる。
3.燃料の供給源における初期温度は複数の温度に設定することができるとともに、酸化剤の供給源における初期温度も複数の温度に設定することができる。
4.化学反応と流れの計算を別に行うことができるため、計算負荷を軽減することができる。
5.ラージ・エディ・シミュレーション法を用いることにより、乱流燃焼流れに対応することができる。
According to the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method of the present embodiment as described above, the following effects can be obtained.
1. Since the assumption of adiabatic conditions and the assumption of Lewis number are not required, the numerical analysis of the flow with combustion closer to the actual machine can be performed.
2. Numerical analysis of flows involving combustion with multiple fuels and / or multiple oxidants is possible.
3. The initial temperature in the fuel supply source can be set to a plurality of temperatures, and the initial temperature in the oxidant supply source can also be set to a plurality of temperatures.
4). Since the chemical reaction and flow calculation can be performed separately, the calculation load can be reduced.
5. By using the large eddy simulation method, it is possible to cope with a turbulent combustion flow.

実施例1では、所定の解析対象を本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法を用いて解析を行った。また、従来の燃焼流れ解析に用いられていた「flamelet近似モデル」を用いて、前記解析対象とほぼ同条件の解析対象を解析し、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法の有効性について検討を行った。各解析条件および解析結果について以下に説明する。   In Example 1, the predetermined analysis object was analyzed using the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention. In addition, the “framelet approximation model” used in the conventional combustion flow analysis is used to analyze the analysis target under substantially the same conditions as the analysis target, and the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis according to the present invention are analyzed. The effectiveness of the method was investigated. Each analysis condition and analysis result will be described below.

(1)『解析対象』
本実施例1における解析対象は、3重拡散バーナにおける燃焼流れ場である。図8は、本実施例1における解析対象とした燃焼流れ場を示す斜視図である。また、図9は、解析対象とした燃焼流れ場の一端部に設けられた3重拡散バーナ部分を示す拡大図である。
(1) “Analysis target”
The analysis target in the first embodiment is a combustion flow field in a triple diffusion burner. FIG. 8 is a perspective view showing a combustion flow field as an analysis target in the first embodiment. FIG. 9 is an enlarged view showing a triple diffusion burner portion provided at one end of the combustion flow field to be analyzed.

図8に示すように、燃焼流れ場は、直径600mm、X軸方向700mmの円筒状とした。また、図9に示すように、本実施例1における3重拡散バーナは、燃料および酸化剤の吹き出し口として、中央のインナーパイプと、このインナーパイプの外周に設けられたミドルパイプと、このミドルパイプの外周に設けられたアウターパイプとから構成されており、アウターパイプの外径は23.9mmとした。   As shown in FIG. 8, the combustion flow field was a cylinder having a diameter of 600 mm and an X-axis direction of 700 mm. As shown in FIG. 9, the triple diffusion burner according to the first embodiment includes a central inner pipe, a middle pipe provided on the outer periphery of the inner pipe, and a middle pipe as an outlet for fuel and oxidant. The outer pipe is provided on the outer periphery of the pipe, and the outer diameter of the outer pipe is 23.9 mm.

(2)『解析条件』
本実施例1では、燃料1種と酸化剤2種の混合気体が燃焼する場合について解析を行った。本実施例1における燃料および酸化剤の流入条件を下記の表1にまとめる。
(2) “Analysis conditions”
In the present Example 1, the case where the mixed gas of 1 type of fuel and 2 types of oxidizing agents burns was analyzed. The fuel and oxidant inflow conditions in Example 1 are summarized in Table 1 below.

表1に示すように、インナーパイプからは、純酸素からなる酸化剤が流入速度35.4m/sの速さで燃焼流れ場内に流入している。また、ミドルパイプからは、プロパン(C)およびブタン(C10)が質量比1対1の割合で混合された燃料が流入速度41.04m/sの速さで燃焼流れ場内に流入している。さらに、アウターパイプからは、空気からなる酸化剤が流入速度9.77m/sの速さで燃焼流れ場内に流入している。また、燃料および各酸化剤の流入時の温度は300.15Kとした。さらに、燃焼流れ場の圧力は大気圧とした。 As shown in Table 1, from the inner pipe, an oxidizer made of pure oxygen flows into the combustion flow field at an inflow speed of 35.4 m / s. Further, from the middle pipe, fuel in which propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) are mixed at a mass ratio of 1: 1 is in the combustion flow field at an inflow rate of 41.04 m / s. Is flowing in. Further, from the outer pipe, an oxidant composed of air flows into the combustion flow field at an inflow speed of 9.77 m / s. The temperature at the time of inflow of fuel and each oxidant was set to 300.15K. Furthermore, the pressure of the combustion flow field was atmospheric pressure.

また、「flamelet近似モデル」を用いた解析では、燃料および酸化剤はそれぞれ1種しか扱うことができないため、純酸素と空気との混合気を酸化剤として用いた。「flamelet近似モデル」を用いた解析における燃料および酸化剤の流入条件を表2にまとめる。
Further, in the analysis using the “framelet approximate model”, only one type of fuel and oxidant can be handled, so a mixture of pure oxygen and air was used as the oxidant. The fuel and oxidant inflow conditions in the analysis using the “framelet approximate model” are summarized in Table 2.

なお、インナーパイプおよびアウターパイプから流入させる酸化剤は、本実施例1の酸化剤である純酸素および空気の質量流量が等しくなるように、純酸素および空気が質量比で78対22となる混合気とした。   The oxidant flowing from the inner pipe and the outer pipe is a mixture in which pure oxygen and air are in a mass ratio of 78:22 so that the mass flow rates of pure oxygen and air, which are the oxidants of the first embodiment, are equal. I was worried.

(3)『解析結果』
以下、本実施例1および「flamelet近似モデル」を用いた解析の解析結果について説明する。
(3) “Analysis results”
Hereinafter, the analysis result of the analysis using the first embodiment and the “framelet approximate model” will be described.

(3−1)化学反応条件データベースの作成
まず、化学反応条件データベースの作成を行った。化学反応条件データベースの作成に用いた4つの保存スカラー変数は、質量分率比スカラー変数ξ、エンタルピースカラー変数ξ、燃料組成スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξである。本実施例1の変数値組合せ設定部62では、これら保存スカラー変数のうち、質量分率比スカラー変数ξおよび酸化剤組成スカラー変数ξの2種類を組合せに設定した。
(3-1) Creation of chemical reaction condition database First, a chemical reaction condition database was created. The four conserved scalar variables used to create the chemical reaction condition database are a mass fraction ratio scalar variable ξ, an enthalpy piece color variable ξ h , a fuel composition scalar variable ξ f, and an oxidant composition scalar variable ξ o . In the variable value combination setting unit 62 of the first embodiment, among these stored scalar variables, two types of mass fraction ratio scalar variable ξ and oxidant composition scalar variable ξ o are set as combinations.

ここで、酸化剤組成スカラー変数ξは、空気、酸素および混合気中の酸素原子の質量分率ZO,Air、ZO,O2およびZを用いて次式と定義し直して解析を行った。
・・・式(9)
Here, the oxidizing agent composition scalar variable xi] o, air, the mass fraction of oxygen atoms in the oxygen and air mixture Z O, Air, an analysis redefine the following equation using the Z O, O2 and Z O went.
... Formula (9)

また、表1に示すように、本実施例1における酸化剤組成スカラー変数ξの値は、ミドルパイプから流入させる燃料では0であり、インナーパイプから流入させる酸化剤では1である。よって、本実施例1における燃焼条件の範囲内で想定される酸化剤組成スカラー変数ξの値は0〜1の範囲内にあり、0.1刻みで11本のテーブルを作成した。また、この11本のテーブルの間の値は、線形補完する形で密度を算出した。 Further, as shown in Table 1, the value of the oxidant composition scalar variable ξ o in Example 1 is 0 for fuel flowing from the middle pipe and 1 for oxidant flowing from the inner pipe. Therefore, the value of the oxidant composition scalar variable ξ o assumed within the range of the combustion conditions in Example 1 is in the range of 0 to 1, and 11 tables are created in increments of 0.1. Further, the density between the 11 tables was calculated by linear interpolation.

図10は、質量分率比スカラー変数ξと酸化剤組成スカラー変数ξとの2保存スカラー変数の組み合わせに対する密度を解析した結果をグラフにしたものである。 FIG. 10 is a graph showing the results of analyzing the density for a combination of two conserved scalar variables, a mass fraction ratio scalar variable ξ and an oxidant composition scalar variable ξ o .

なお、flamelet近似モデルの解析に用いられる化学反応条件データベースについては、上記表2に示すように、酸化剤内の酸素量が78質量%であるため、図10における酸化剤組成スカラー変数ξが0.78の部分に相当し、この値を用いることとした。 Regarding the chemical reaction condition database used for the analysis of the flamelet approximate model, as shown in Table 2 above, the amount of oxygen in the oxidant is 78% by mass, and therefore the oxidant composition scalar variable ξ o in FIG. This corresponds to the 0.78 portion, and this value was used.

(3−2)燃焼流れの解析
次に、(3−1)で作成した化学反応条件データベースを用いて燃焼流れ場における燃焼流れをラージ・エディ・シミュレーション法に基づく解析方法により解析した。なお、時間積分法にはEuler陰解法を用い、運動方程式の移流項拡散化スキームには、2次精度の中心差分と1次精度の風上差分とを、それぞれを95対5の割合で線形結合するスキームを用いた。また、スカラーの輸送方程式の移流項拡散化スキームには、1次精度の風上差分を用いた。さらに、時間刻み幅は、1.5×10−5sec/stepとした。
(3-2) Analysis of combustion flow Next, the combustion flow in the combustion flow field was analyzed by an analysis method based on the large eddy simulation method using the chemical reaction condition database created in (3-1). Note that the Euler implicit method is used for the time integration method, and the advection term diffusion scheme of the equation of motion is a linear precision center difference and a first precision upwind difference, each in a ratio of 95: 5. A coupling scheme was used. The upwind difference with first order accuracy was used for the advection term diffusion scheme of the scalar transport equation. Furthermore, the time step width was set to 1.5 × 10 −5 sec / step.

図11は、図8におけるX−Y断面における質量分率比スカラー変数ξの時間平均分布である。色が白いほど炭素原子の質量分率が高く、炭素量が多いことを示している。本実施例1では、ミドルパイプから燃料が噴射されており、図11からは、2本の白い筋が見て取れる。また、流入口近傍では白色が濃く、流入口から離れるにつれ色が薄くなっている。これは燃料が流入口近傍で濃く、流入口から離れるにつれて拡散していることを表している。   FIG. 11 is a time-average distribution of the mass fraction ratio scalar variable ξ in the XY cross section in FIG. The whiter the color, the higher the mass fraction of carbon atoms and the greater the amount of carbon. In the first embodiment, fuel is injected from the middle pipe. From FIG. 11, two white stripes can be seen. Further, the white color is dark in the vicinity of the inflow port, and the color becomes lighter as the distance from the inflow port increases. This indicates that the fuel is thick in the vicinity of the inlet, and diffuses as it moves away from the inlet.

図12は、X−Y断面における酸化剤組成スカラー変数ξの時間平均分布である。色が白いほど酸素原子の質量分率が高く、酸素量が多いことを示している。図12からは、酸化剤が流入口近傍で高い値を示し、流入口から離れるにつれて拡散していく様子が見て取れる。特に、本実施例1では、インナーパイプから純酸素が噴射されているため、中央から高い酸素量の酸化剤が噴射されている様子が見て取れる。 FIG. 12 is a time average distribution of the oxidant composition scalar variable ξ o in the XY cross section. The whiter the color, the higher the mass fraction of oxygen atoms and the greater the amount of oxygen. From FIG. 12, it can be seen that the oxidant shows a high value in the vicinity of the inlet and diffuses away from the inlet. In particular, in the first embodiment, since pure oxygen is injected from the inner pipe, it can be seen that an oxidant having a high oxygen amount is injected from the center.

図13は、X−Y断面における温度の時間平均分布である。色が白いほど温度が高いことを示しており、燃焼反応が起きていることを示している。図13からは、インナーパイプの酸化剤とミドルパイプの燃料とが混合されるとともに、アウターパイプの酸化剤とミドルパイプの燃料とが混合されることによって、2重火炎が形成されていることが見て取れる。   FIG. 13 is a time-averaged distribution of temperature in the XY cross section. The whiter the color, the higher the temperature, indicating that a combustion reaction is taking place. From FIG. 13, the double pipe is formed by mixing the oxidizer of the inner pipe and the fuel of the middle pipe and mixing the oxidizer of the outer pipe and the fuel of the middle pipe. I can see it.

また、本実施例1では、インナーパイプから供給される酸化剤が純酸素であるため、2重火炎のうち内側の火炎が高温であり激しく燃焼している。また、内側および外側の火炎は、流入口から離れるにつれて拡散し、温度も徐々に低くなっているのが見て取れる。以上のような結果は、火炎は外側の空気により徐々に冷却され温度が低くなる実現象に近いものであるといえる。   Further, in the first embodiment, since the oxidant supplied from the inner pipe is pure oxygen, the inner flame of the double flame is hot and burns intensely. It can also be seen that the inner and outer flames diffuse as they move away from the inlet and the temperature gradually decreases. The above results can be said to be close to the actual phenomenon in which the flame is gradually cooled by the outside air and the temperature is lowered.

(3−3)flamelet近似モデルによる解析結果との比較
次に、flamelet近似モデルによる解析結果と比較を試みた。図14は、flamelet近似モデルにより解析された、X−Y断面における質量分率比スカラー変数ξの時間平均分布である。色が白いほど炭素原子の質量分率が高く、炭素量が多いことを示している。本実施例1における質量分率比スカラー変数ξの時間平均分布である図11と比較すると、燃料が流入口近傍で高い値を示し、流入口から離れるにつれて拡散していく傾向は同じであり、各位置における質量分率比スカラー変数ξの値についても、ほぼ等しい分布であった。上記表1および表2に示すように、ミドルパイプから流入される燃料の種類および流入速度が等しいためこのような結果になったものと思われる。
(3-3) Comparison with Analysis Result by Framelet Approximation Model Next, an attempt was made to compare with an analysis result by the framelet approximation model. FIG. 14 is a time average distribution of the mass fraction ratio scalar variable ξ in the XY cross section analyzed by the flamelet approximate model. The whiter the color, the higher the mass fraction of carbon atoms and the greater the amount of carbon. Compared with FIG. 11, which is the time-average distribution of the mass fraction ratio scalar variable ξ in Example 1, the fuel shows a high value in the vicinity of the inlet, and the tendency to diffuse as it moves away from the inlet is the same. The distribution of the mass fraction ratio scalar variable ξ at each position was almost equal. As shown in Table 1 and Table 2 above, it is considered that such a result is obtained because the type of fuel flowing in from the middle pipe and the inflow speed are equal.

一方、温度分布に関しては、本実施例1における解析結果と、flamelet近似モデルによる解析結果との間で違いが現れた。図15は、flamelet近似モデルにより解析された、X−Y断面における温度の時間平均分布である。図13と比較すると、flamelet近似モデルにより解析された温度は、本実施例1の解析結果と同様に、2重火炎が形成されていることが見て取れるが、流入口から離れた場所においても比較的高い温度が保たれ、あまり拡散していないように見て取れる。   On the other hand, regarding the temperature distribution, a difference appeared between the analysis result in the first embodiment and the analysis result by the flamelet approximation model. FIG. 15 is a time-averaged temperature distribution in the XY cross section analyzed by the flamelet approximate model. Compared with FIG. 13, the temperature analyzed by the flamelet approximation model can be seen that a double flame is formed as in the analysis result of the first embodiment. It can be seen that the temperature is kept high and not very diffuse.

そこで、詳細に温度分布を比較するため、Y軸上での時間平均温度分布についても比較を行った。図16は、X=100mmの位置におけるY軸上での時間平均温度分布であり、実線で表されたものが本実施例1の解析結果、一点鎖線で表されたものがflamelet近似モデルの解析結果である。なお、上述のとおり、アウターパイプの直径が23.9mmであって、X=100mmの位置はアウターパイプの直径の約4倍の場所に相当する。   Therefore, in order to compare the temperature distribution in detail, the time average temperature distribution on the Y axis was also compared. FIG. 16 shows the time-average temperature distribution on the Y-axis at the position of X = 100 mm. The analysis result of the first embodiment is shown by the solid line, and the analysis of the flamelet approximate model is shown by the alternate long and short dash line. It is a result. As described above, the diameter of the outer pipe is 23.9 mm, and the position where X = 100 mm corresponds to a place about four times the diameter of the outer pipe.

図16に示すように、本実施例1の解析結果とflamelet近似モデルの解析結果とは、a)中心付近の温度が低い点、b)左右略対称に2つの高温箇所がある点については共通する。なお、a)については、中心付近ではインナーパイプから流入している酸化剤とミドルパイプから流入している燃料との混合が不十分であり、燃料が燃焼していないためである。また、b)については、燃料がインナーパイプから流入してくる酸化剤と混合されて燃焼している箇所と、燃料がアウターパイプから流入してくる酸化剤と混合されて燃焼している箇所が現れたものである。   As shown in FIG. 16, the analysis result of the first embodiment and the analysis result of the framelet approximation model are common in that a) the temperature near the center is low, and b) the two high-temperature portions are approximately symmetrical. To do. Regarding a), the oxidant flowing from the inner pipe and the fuel flowing from the middle pipe are not sufficiently mixed in the vicinity of the center, and the fuel is not combusted. As for b), there are locations where the fuel is mixed with the oxidant flowing from the inner pipe and burning, and locations where the fuel is mixed with the oxidant flowing from the outer pipe and burning. It has appeared.

一方、2)の左右略対称に2つの高温箇所については、本実施例1では、インナーパイプ側が高温でアウターパイプ側が低温であるのに対し、flamelet近似モデルでは、インナーパイプ側とアウターパイプ側とはほぼ同じ温度である。これは、本実施例1では、インナーパイプ側では燃料と純酸素が混合されるため燃焼が激しく高温になり、アウターパイプ側では燃料と空気が混合されるため、比較的低温になったものと思われる。一方、flamelet近似モデルでは酸化剤が1種しか扱うことができないため、インナーパイプ側とアウターパイプ側の酸化剤を同じものとしたため、ほぼ同じ温度となったものと思われる。   On the other hand, with respect to the two high-temperature locations in the left-right substantially symmetrical manner of 2), in the first embodiment, the inner pipe side is hot and the outer pipe side is cold, whereas in the flamelet approximation model, the inner pipe side and the outer pipe side Are approximately the same temperature. In the first embodiment, fuel and pure oxygen are mixed on the inner pipe side, so that combustion is intensely hot, and fuel and air are mixed on the outer pipe side, so that the temperature is relatively low. Seem. On the other hand, in the flamelet approximation model, only one kind of oxidant can be handled. Therefore, the oxidants on the inner pipe side and the outer pipe side are the same, and it is considered that the temperatures are almost the same.

図17〜図19は、それぞれX=300mm、X=500mmおよびX=700mmの位置におけるY軸上での時間平均温度分布である。   17 to 19 are time average temperature distributions on the Y-axis at positions of X = 300 mm, X = 500 mm, and X = 700 mm, respectively.

本実施例1では、流入口から距離が離れるにつれ、温度分布が均一化して行き、温度が徐々に拡散していく様子が見て取れる。そして、X=700mmの位置では、略軸対称となるなだらかな凸状の温度分布となり、中心の酸化剤の影響は見られなくなる。温度の拡散は、上述のとおり、火炎は外側の空気により徐々に冷却されることにより起こるため、この本実施例1による解析結果は、実現象に近い分布を示しているものと考えられる。   In Example 1, it can be seen that as the distance from the inflow port increases, the temperature distribution becomes uniform and the temperature gradually diffuses. Then, at the position of X = 700 mm, the temperature distribution has a gentle convex shape that is substantially axially symmetric, and the influence of the central oxidant is not observed. As described above, the diffusion of the temperature occurs when the flame is gradually cooled by the outside air. Therefore, it is considered that the analysis result according to the first embodiment shows a distribution close to the actual phenomenon.

一方、flamelet近似モデルでは、本実施例1と同様、流入口から距離が離れるにつれ、温度分布の拡散および均一化が進行するが、その速度は本実施例1に比べて遅い。例えば、X=700mmの位置では、中心が酸化剤の影響により低温の部分が残り、凸状の温度分布も勾配が大きい。これは、flamelet近似モデルでは、化学種とエンタルピーの拡散係数が近似的に一致するようにルイス数を1と仮定しているため、実現象に比べて物質や温度の拡散が抑制されたためであると考えられる。   On the other hand, in the flamelet approximate model, as in the first embodiment, as the distance from the inflow port increases, diffusion and uniformization of the temperature distribution proceeds, but the speed is slower than that in the first embodiment. For example, at the position of X = 700 mm, a low temperature portion remains at the center due to the influence of the oxidizing agent, and the convex temperature distribution has a large gradient. This is because, in the flamelet approximation model, the Lewis number is assumed to be 1 so that the diffusion coefficient of the chemical species and the enthalpy are approximately the same, so that the diffusion of substances and temperatures is suppressed compared to the actual phenomenon. it is conceivable that.

(4)まとめ
本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法によって、複数の酸化剤を用いた燃焼流れの解析を行うことができた。そのため1種の酸化剤しか用いることのできないflamelet近似モデルと比較して、利用範囲が格段に広くなったといえる。
(4) Summary With the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention, it was possible to analyze the combustion flow using a plurality of oxidants. Therefore, it can be said that the range of use has become much wider than that of the flamelet approximation model in which only one kind of oxidant can be used.

また、解析結果を比較しても、従来のflamelet近似モデルを用いた解析結果より、実現象に近い解析結果が得られ、解析精度の点においても有利であるといえる。   Further, even if the analysis results are compared, an analysis result closer to the actual phenomenon is obtained than the analysis result using the conventional flamelet approximation model, and it can be said that it is advantageous in terms of analysis accuracy.

なお、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。   The combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate.

例えば、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法は、既成のflamelet近似モデルと組合せて構成してもよい。予混合火炎の場合では、前記保存スカラー変数とは別に予混合火炎に基づいたスカラー変数を追加し、燃焼流れの数値解析を行ってもよい。   For example, the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention may be configured in combination with an existing flamelet approximate model. In the case of the premixed flame, a scalar variable based on the premixed flame may be added separately from the stored scalar variable, and the numerical analysis of the combustion flow may be performed.

1 コンピュータ
1a 燃焼流れ数値解析プログラム
2 入力手段
3 表示手段
4 記憶手段
5 演算処理手段
6 化学反応条件データベース作成手段
7 瞬時・局所保存スカラー変数取得手段
8 瞬時・局所化学反応条件算出手段
9 瞬時・局所物性値算出手段
10 燃焼流れ解析手段
41 プログラム記憶部
42 化学反応条件データベース
43 物性値データベース
61 保存スカラー変数設定部
62 変数値組合せ設定部
63 化学反応条件取得部
64 データベース作成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Computer 1a Combustion flow numerical analysis program 2 Input means 3 Display means 4 Storage means 5 Arithmetic processing means 6 Chemical reaction condition database preparation means 7 Instantaneous / local storage scalar variable acquisition means 8 Instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 9 Instantaneous / local Physical property value calculation means 10 Combustion flow analysis means 41 Program storage unit 42 Chemical reaction condition database 43 Physical property value database 61 Stored scalar variable setting unit 62 Variable value combination setting unit 63 Chemical reaction condition acquisition unit 64 Database creation unit

Claims (5)

水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムであって、
前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー変数のうち、所定の前記保存スカラー変数を用いて燃焼時の化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成手段と、
前記保存スカラー変数の運動方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー変数を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー変数取得手段と、
前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー変数を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出手段と、
前記瞬時・局所化学反応条件および所定の物性値を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出手段と、
前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析手段と
してコンピュータを機能させる燃焼流れ数値解析プログラム。
A combustion flow numerical analysis program for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidant,
Numerical analysis of chemical reaction conditions during combustion using a predetermined stored scalar variable among a plurality of stored scalar variables set based on each chemical composition in the fuel, the oxidizer, and a combustion mixture obtained by mixing them. And a chemical reaction condition database creating means for storing the chemical reaction condition in the chemical reaction condition database,
Instantaneous / locally stored scalar variable acquisition means for acquiring an instantaneous / locally stored scalar variable by numerical analysis using the equation of motion of the stored scalar variable;
Instantaneous / local chemical reaction condition calculating means for calculating an instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally stored scalar variable;
Instantaneous / local physical property value calculating means for calculating the instantaneous / local physical property value using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the predetermined physical property value;
Combustion flow that causes a computer to function as combustion flow analysis means for numerically analyzing the flow accompanied by combustion of the fuel, the oxidant, and the combustion mixture using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values Numerical analysis program.
前記化学反応条件データベース作成手段が、4種類の保存スカラー変数を設定する保存スカラー変数設定部と、前記4種類の保存スカラー変数のうち所定の2種類の保存スカラー変数の値による任意の組合せを設定する変数値組合せ設定部と、他の2種類の保存スカラー変数の多項式近似により前記組合せにおける前記化学反応条件を取得する化学反応条件取得部と、取得された前記化学反応条件を前記化学反応条件データベースに記憶させるデータベース作成部としてコンピュータを機能させる請求項1に記載の燃焼流れ数値解析プログラム。   The chemical reaction condition database creation means sets a stored scalar variable setting unit for setting four types of stored scalar variables, and an arbitrary combination based on values of two predetermined stored scalar variables among the four types of stored scalar variables A variable value combination setting unit to perform, a chemical reaction condition acquisition unit to acquire the chemical reaction condition in the combination by polynomial approximation of the other two types of stored scalar variables, and the acquired chemical reaction condition to the chemical reaction condition database The combustion flow numerical analysis program according to claim 1, which causes a computer to function as a database creation unit to be stored in the combustion flow. 前記保存スカラー変数が、前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気に含まれる炭素の質量分率比に基づいて設定される質量分率比スカラー変数と、前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気のエンタルピー比に基づいて設定されるエンタルピースカラー変数と、前記燃料または前記燃焼混合気に含まれる水素と炭素の質量比に基づいて設定される燃料組成スカラー変数と、前記酸化剤または前記燃焼混合気に含まれる酸素と窒素の質量比に基づいて設定される酸化剤組成スカラー変数とである請求項1または請求項2に記載された燃焼流れ数値解析プログラム。   A mass fraction ratio scalar variable set based on a mass fraction ratio of carbon contained in the fuel, the oxidant and the combustion mixture; and the fuel, the oxidant and the combustion mixture. An enthalpy piece color variable set based on a gas enthalpy ratio, a fuel composition scalar variable set based on a mass ratio of hydrogen and carbon contained in the fuel or the combustion mixture, and the oxidant or the combustion mixture The combustion flow numerical analysis program according to claim 1 or 2, wherein the combustion flow numerical analysis program is an oxidant composition scalar variable set based on a mass ratio of oxygen and nitrogen contained in the atmosphere. 前記燃焼流れ解析手段が、ラージ・エディ・シミュレーション法に基づく解析手段である請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃焼流れ数値解析プログラム。   The combustion flow numerical analysis program according to any one of claims 1 to 3, wherein the combustion flow analysis means is analysis means based on a large eddy simulation method. 水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析方法であって、
前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー変数のうち、所定の前記保存スカラー変数を用いて燃焼時の化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成ステップと、
前記保存スカラー変数の運動方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー変数を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー変数取得ステップと、
前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー変数を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出ステップと、
前記瞬時・局所化学反応条件および所定の物性値を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出ステップと、
前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析ステップと
を有する燃焼流れ数値解析方法。
A combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing a flow accompanying combustion of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidant,
Numerical analysis of chemical reaction conditions during combustion using a predetermined stored scalar variable among a plurality of stored scalar variables set based on each chemical composition in the fuel, the oxidizer, and a combustion mixture obtained by mixing them. A chemical reaction condition database creation step for acquiring the chemical reaction condition and storing the chemical reaction condition in the chemical reaction condition database;
Instantaneous / locally stored scalar variable acquisition step of acquiring the instantaneous / locally stored scalar variable by numerical analysis using the equation of motion of the stored scalar variable;
Instantaneous / local chemical reaction condition calculating step for calculating instantaneous / local chemical reaction conditions using the chemical reaction conditions stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally stored scalar variable;
Instantaneous / local physical property value calculating step for calculating the instantaneous / local physical property value using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the predetermined physical property value;
A combustion flow numerical analysis method comprising: a combustion flow analysis step for numerically analyzing a flow accompanying combustion of the fuel, the oxidant and the combustion mixture using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values.
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