DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11189
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Cheng Chi وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الاحتراق واللهب
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم إجراء محاكاة عددية مباشرة (DNS) للتحقيق في تفاعلات اللهب مع الجدار (FWIs) للهب H₂/هواء و NH₃/H₂/هواء المخلوط داخل تدفق قناة متطور بالكامل عند عدد رينولدز يبلغ حوالي 300. تم فحص كل من ظروف الجدار المعزولة والحرارية. تكشف النتائج أن الزيادة السريعة في سمك اللهب الكيميائي بالقرب من الجدار تعزى بشكل أساسي إلى شرط الحدود بدون تدفق للانتشار، مع تأثير ضئيل من فقدان حرارة الجدار والاضطراب. تم تقديم طريقة جديدة لتحديد سطح اللهب تعتمد على الحواف، مما يظهر دقة متفوقة في تتبع جبهات اللهب مقارنة بالأسطح التقليدية للمتغير التقدمي، خاصة خلال FWIs. هذه الطريقة تلتقط بشكل فعال هندسة اللهب القريبة من الجدار، مما يشير إلى أن اللهب يميل إلى الترتيب بشكل لامع ومحاذاة تقريبًا بشكل متوازي مع الجدران المعزولة قبل الإطفاء.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على انتقال اللهب إلى نظام لامع قبل الإطفاء مباشرة، مما يتعارض مع الادعاءات السابقة حول كسر نظام التفاعل. كشفت تحليل ديناميات الاحتراق المضطرب أنه مع اقتراب اللهب من الجدار، ينخفض كل من عامل تمدد اللهب ومعدل الاحتراق المضطرب، بينما تزداد سرعة الإزاحة بالقرب من الجدار بسبب شرط الحدود بدون تدفق. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن تأثيرات الاضطراب القريب من الجدار كانت ضئيلة بالنسبة للهب الهيدروجين ولكنها كبيرة بالنسبة للهب الأمونيا/الهيدروجين، حيث يحدث الترتيب القريب من الجدار. تؤكد النتائج على أهمية تعريف سمك اللهب بدقة وفهم الديناميات القريبة من الجدار لتحسين النماذج التنبؤية للهب المضطرب في المحاكاة ذات الترتيب المنخفض. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية التحقق من فرضية الجدار الخامل واستكشاف التفاعلات غير المتجانسة والكاتاليتيكية، جنبًا إلى جنب مع الدراسات التجريبية لتحسين تعريفات سمك اللهب.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية تفاعلات اللهب مع الجدار (FWIs) في عمليات الاحتراق العملية، مثل محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات الغازية. تؤثر هذه التفاعلات بشكل ملحوظ على ديناميات اللهب وإنتاج الملوثات، مما يستلزم فهمًا شاملاً لسلوك اللهب القريب من الجدار. نظرًا لقيود الطرق التجريبية في التقاط الديناميات المعقدة للهب المضطرب بالقرب من الجدران، يتم استخدام المحاكاة العددية المباشرة (DNS) كأداة تحقيق رئيسية. تركز الدراسة على إطفاء اللهب من الأمام في تدفق قناة متطور بالكامل، بناءً على أبحاث سابقة حددت سلوكيات مميزة للهبات القريبة من الجدار مقارنة بالهب الحر، خاصة فيما يتعلق بسمك اللهب وسرعة الإزاحة.
تشير النتائج الرئيسية من الدراسات السابقة إلى أن احتجاز الجدار وفقدان الحرارة يؤديان إلى زيادة في سمك اللهب وتغيير نظام الاحتراق المضطرب. على وجه التحديد، يتأثر سمك اللهب بعدم الاستقرار والتجاعيد في فرشاة اللهب بالقرب من الجدار، بالإضافة إلى التغيرات في مقاييس الطول والوقت المضطرب. ومع ذلك، لم يتم التحقق من هذه الظواهر بشكل كامل، ولا تزال العلاقة بين عدد رينولدز الاحتكاكي وزيادة سمك اللهب غير واضحة. تهدف الدراسة الحالية إلى قياس تأثيرات فقدان حرارة الجدار والاضطراب على ديناميات اللهب، وتحليل سرعة إزاحة اللهب، واستكشاف تطور أنظمة الاحتراق المضطرب خلال FWIs. باستخدام DNS للهبات المضطربة المخلوطة H₂/هواء و NH₃/H₂/هواء عند عدد رينولدز احتكاكي يبلغ حوالي 300، تعتبر هذه الأبحاث ذات صلة خاصة بتقدم تقنيات الاحتراق الخالية من الكربون في سياق انتقال الطاقة. ستفصل الأقسام اللاحقة من الورقة التكوينات العددية، ونتائج FWI اللامعة، والديناميات المضطربة، والاستنتاجات النهائية.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في الورقة البحثية على المحاكاة العددية المباشرة (DNS) للهبات المضطربة المخلوطة من الهيدروجين/الهواء والأمونيا/الهيدروجين/الهواء داخل تدفق قناة متطور بالكامل. تستخدم الدراسة آليات احتراق موثوقة لكلا نوعي الوقود وتستخدم نموذج انتشار متوسط الخلط لوصف نقل الأنواع، مع استبعاد تأثير سوريت بسبب تأثيره الضئيل. تتطلب المحاكاة، التي تم إجراؤها باستخدام محلل الاحتراق DINO، موارد حسابية كبيرة وتوليد بيانات واسعة، والتي تتوفر للجمهور. يتم تصنيف حالات DNS بناءً على ظروف الجدار (حرارية مقابل معزولة) ونسب التكافؤ، مع اهتمام دقيق بدقة الشبكة لضمان دقة الاضطراب ودقة مقياس اللهب.
يكشف تحليل سمك اللهب خلال تفاعلات اللهب مع الجدار (FWIs) أن تعريفات مختلفة لسمك اللهب تؤدي إلى نتائج متباينة، خاصة في ظل الظروف اللامعة والمضطربة. تؤكد الدراسة على أهمية التمييز بين سمك اللهب الحراري والكيميائي، مع التركيز على الأخير لفهم تأثيرات فقدان حرارة الجدار. تشير النتائج إلى أنه بينما يكون لفقدان حرارة الجدار تأثير محدود على السمك الكيميائي، فإنه يؤثر بشكل كبير على السمك الحراري، خاصة في سيناريوهات الجدار الحراري. تشير النتائج إلى أن الزيادة في سمك اللهب الكيميائي خلال FWIs مدفوعة بشكل أساسي بشرط الحدود بدون تدفق لانتشار الأنواع عند الجدار، بينما يميل فقدان حرارة الجدار إلى تقليل السمك الكيميائي، على الرغم من أن هذا التأثير غالبًا ما يتجاوز تأثير شرط الحدود. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على التأثير الضئيل للاضطراب القريب من الجدار على السمك الكيميائي للهبات الهيدروجينية، على عكس الزيادة الملحوظة للهبات الأمونيا/الهيدروجين، والتي تعزى إلى تأثيرات الترتيب القريب من الجدار.
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11189
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Cheng Chi et al.
Primary Topic: Combustion and flame dynamics
Overview
In this study, direct numerical simulations (DNS) were conducted to investigate turbulent flame-wall interactions (FWIs) for premixed H₂/air and NH₃/H₂/air flames within a fully developed channel flow at a Reynolds number of approximately 300. Both isothermal and adiabatic wall conditions were examined. The findings reveal that the rapid increase in chemical flame thickness near the wall is primarily attributed to the zero-flux boundary condition for diffusion, with minimal influence from wall heat loss and turbulence. A novel ridge-based flame surface identification method was introduced, demonstrating superior accuracy in tracking flame fronts compared to traditional isosurfaces of the progress variable, particularly during FWIs. This method effectively captures the near-wall flame geometry, indicating that flames tend to laminarize and align almost parallel to isothermal walls before quenching.
The study also highlights the transition of flames into a laminar regime shortly before wall quenching, contradicting previous assertions of a broken reaction regime. The analysis of turbulent combustion dynamics revealed that as flames approach the wall, both the flame stretch factor and turbulent burning rate decrease, while the displacement speed increases near the wall due to the zero-flux boundary condition. Additionally, the effects of near-wall turbulence were found to be negligible for hydrogen flames but significant for ammonia/hydrogen flames, where laminarization occurs close to the wall. The results underscore the importance of accurately defining flame thickness and understanding near-wall dynamics to improve predictive models for turbulent flames in reduced-order simulations. Future research directions include validating the inert wall hypothesis and exploring heterogeneous and catalytic reactions, alongside experimental studies to refine flame thickness definitions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of flame-wall interactions (FWIs) in practical combustion processes, such as internal combustion engines and gas turbines. These interactions notably influence flame dynamics and pollutant production, necessitating a thorough understanding of near-wall flame behavior. Given the limitations of experimental methods in capturing the intricate dynamics of turbulent flames near walls, direct numerical simulation (DNS) is employed as the primary investigative tool. The study focuses on head-on flame quenching in a fully developed channel flow, building on previous research that has identified distinct behaviors of near-wall flames compared to free flames, particularly regarding flame thickness and displacement speed.
Key findings from prior studies indicate that wall confinement and heat loss lead to an increase in flame thickness and alter the turbulent combustion regime. Specifically, the flame thickness is affected by the unsteadiness and wrinkling of the flame brush near the wall, as well as changes in turbulent length and time scales. However, these phenomena have not been fully validated, and the relationship between friction Reynolds number and flame thickening remains unclear. The present study aims to quantify the effects of wall heat loss and turbulence on flame dynamics, analyze flame displacement speed, and explore the evolution of turbulent combustion regimes during FWIs. Utilizing DNS of turbulent premixed H₂/air and NH₃/H₂/air flames at a friction Reynolds number of approximately 300, this research is particularly relevant for advancing carbon-free combustion technologies in the context of the energy transition. Subsequent sections of the paper will detail the numerical configurations, laminar FWI results, turbulent dynamics, and final conclusions.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the direct numerical simulations (DNS) of turbulent premixed hydrogen/air and ammonia/hydrogen/air flames within a fully developed channel flow. The study employs validated combustion mechanisms for both fuel types and utilizes a mixture-averaged diffusion model to describe species transport, excluding the Soret effect due to its negligible impact. The simulations, conducted using the DINO combustion solver, required significant computational resources and generated extensive data, which is publicly accessible. The DNS cases are categorized based on wall conditions (isothermal vs. adiabatic) and equivalence ratios, with careful attention to grid resolution to ensure accurate turbulence and flame scale resolution.
The analysis of flame thickness during flame-wall interactions (FWIs) reveals that different definitions of flame thickness yield varying results, particularly under laminar and turbulent conditions. The study emphasizes the importance of distinguishing between thermal and chemical flame thickness, with a focus on the latter for understanding the effects of wall heat loss. Results indicate that while wall heat loss has a limited effect on chemical thickness, it significantly influences thermal thickness, particularly in isothermal wall scenarios. The findings suggest that the increase in chemical flame thickness during FWIs is primarily driven by the zero-flux boundary condition for species diffusion at the wall, while wall heat loss tends to decrease chemical thickness, though this effect is often overshadowed by the boundary condition’s influence. Additionally, the study highlights the negligible impact of near-wall turbulence on chemical thickness for hydrogen/air flames, contrasting with a noticeable increase for ammonia/hydrogen/air flames, attributed to laminarization effects near the wall.