Wissenschaftliche Berichte FZKA 6675
Development, Implementation and Verification of a Reduced Hydrogen-Air Chemistry Model for the COM3D Computer Code

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.