DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11200
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Max Schneider وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الاحتراق واللهب
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تفاعل اللهب مع الجدران (FWI) لحرائق الهيدروجين/الهواء المخلوطة الضعيفة، مع التركيز على دور عدم الاستقرار الحراري الانتشاري في الإطفاء داخل محارق محصورة بالجدران. تقدم الدراسة أشكال اللهب المتقدمة التي تتضمن نموذج انتشار الأنواع المتوسط المختلط والانتشار الحراري لالتقاط هذه التفاعلات بكفاءة. التحدي الكبير الذي تم تناوله هو التمثيل المتزامن للاختلالات الجوهرية وفقدان الحرارة. يقوم المؤلفون بتطوير أشكال منفصلة لكل تأثير ومن ثم إنشاء أشكال مشتركة تجمع بين الاثنين. يتم تقييم فعالية هذه النماذج من خلال تحليلات سابقة ولاحقة، مع التركيز بشكل خاص على حرائق الإطفاء المباشر (HOQ) أحادية البعد، والتي تعتبر حاسمة للتنبؤ بدقة بتدفق الحرارة على الجدران وتكوين الملوثات.
تكشف النتائج أن أشكال اللهب الممتدة تظهر دقة عالية في التقاط الحالات الديناميكية والحرارية لحرائق اللهب غير المستقرة حرارياً. على وجه الخصوص، يقوم شكل ثنائي الأبعاد المستند إلى حرائق HOQ بتمثيل مساحة الحالة الحرارية باستخدام نسبة كتلة الهيدروجين ($Y_{H_2}$) ودرجة الحرارة ($T$). في المقابل، يفشل شكل ثنائي الأبعاد المشتق من حرائق تنتشر بحرية مع إعادة تدوير غاز العادم (EGR) في التنبؤ بدقة بالحالات المحلية أثناء الإطفاء. تختتم الدراسة بتوصيات لاختيار الأشكال المناسبة لـ FWI في حرائق الهيدروجين غير المستقرة حرارياً، مشيرة إلى أن الشكل المستند إلى EGR ثلاثي الأبعاد هو الأفضل لتوقعات تدفق الحرارة على الجدران أثناء الإطفاء، بينما الشكل المستند إلى HOQ ثلاثي الأبعاد هو الأفضل للحالات الحرارية المحلية الدقيقة. ستستكشف الأعمال المستقبلية تطبيق هذه النماذج في تكوينات معقدة مضطربة وسيناريوهات تتضمن تصنيفاً متزامناً وعدم استقرار حراري انتشاري.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الدور الحاسم للهيدروجين الأخضر ($H_2$) كحامل للطاقة الكيميائية في الانتقال إلى نظام طاقة خالٍ من الكربون، خاصة من خلال الاحتراق المخلوط الضعيف، الذي يقلل من انبعاثات NOx الحرارية. ومع ذلك، فإن حرائق الهيدروجين الضعيفة عرضة للاختلالات الجوهرية، مثل الاختلالات الهيدروديناميكية والحرارية الانتشارية، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحديات كبيرة في الحفاظ على احتراق مستقر في التطبيقات العملية مثل توربينات الغاز والسخانات المنزلية. ومن الجدير بالذكر أن النتائج الأخيرة التي توصل إليها شنايدر وآخرون (2025a,b) تكشف أن الاختلالات الحرارية الانتشارية يمكن أن تغير بشكل جذري سلوك الإطفاء في حرائق الهيدروجين المخلوطة الضعيفة متعددة الأبعاد، مما يؤدي إلى تدفقات حرارة جدارية أعلى ومسافات إطفاء أقصر مقارنة بالحرائق أحادية البعد.
تناقش الورقة أيضًا قيود نماذج الكيمياء الحالية المجمعة (TC)، التي غالبًا ما تفترض أعداد لويس موحدة، مما يتجاهل تأثيرات الانتشار التفاضلي الحاسمة في احتراق الهيدروجين. يمكن أن يؤدي هذا الإغفال إلى توقعات غير دقيقة لخصائص اللهب وسلوكيات عدم الاستقرار. لمعالجة هذه الفجوات، يقترح المؤلفون نهجًا شاملاً لتطوير نموذج TC دقيق يتضمن تأثيرات الانتشار التفاضلي والحراري، خاصة في سياق تفاعلات اللهب مع الجدران. تشمل الأهداف تعزيز أطر جدول اللهب الحالية، واستنباط طرق فعالة لمعادلات النقل، والتحقق من صحة النموذج مقابل محاكاة الكيمياء التفصيلية عبر تكوينات مختلفة. تهدف الدراسة إلى توفير أساس قوي لتحسين محاكاة احتراق الهيدروجين، خاصة في السيناريوهات التي تتضمن اختلالات حرارية انتشارية وفقدان الحرارة.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء محاكاة عددية باستخدام مكتبة الديناميكا السائلة الحاسوبية مفتوحة المصدر OpenFOAM، مع استخدام طريقة الحجم المحدود. بالنسبة لمحاكاة مرجع التيار المباشر (DC)، يتم حل معادلات نافير-ستوكس القابلة للتفاعل باستخدام محلل مخصص مستمد من reactingFoam في OpenFOAM. يتناول هذا المحلل معادلات الاستمرارية والزخم، بالإضافة إلى معادلات نقل الأنواع لجميع الأنواع \( Y_k \)، باستثناء \( N_2 \)، المستمدة من القيد \( \sum_{k} Y_k = 1 \). تعتبر قانون الغاز المثالي هو الإغلاق لنظام المعادلات. بالنسبة لمحاكاة الاحتراق المضطرب (TC)، يتم استخدام محلل داخلي يعتمد على pimpleFoam في OpenFOAM، حيث يتم حل معادلات النقل للمتغيرات ذات الصلة مع معادلات الاستمرارية والزخم.
للحفاظ على التناسق عبر المحاكاة، يتم تطبيق نفس الدقة المكانية البالغة 20 نقطة لكل سمك لهب حراري، والتي تم التحقق منها في دراسات سابقة. يستخدم تكامل الزمن صيغة تفاضلية ضمنية من الدرجة الثانية، بينما تستخدم مخططات تفاضلية من الدرجة الثانية للاشتقاقات المكانية، مع تطبيق محدد تقليل التباين الكلي على الحمل الخطي. آلية التفاعل المستخدمة تستند إلى Li وآخرون (2004)، وتشمل تسعة أنواع و19 تفاعلًا. تدعم المنهجيات والنتائج التحقق السابق والمراجع، مما يضمن قوة إطار المحاكاة. يتم توفير مزيد من التفاصيل حول ظروف التشغيل في القسم 5.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على تعقيدات نمذجة الانتشار في أنظمة الاحتراق، خاصة في سياق ديناميات اللهب. يبرز المؤلفون أن الحد من الانتشار في معادلات النقل يجب أن يأخذ في الاعتبار المساهمات من جميع الأنواع المعنية في التفاعل، مما يتطلب نهج إغلاق. إن افتراض عدد لويس موحد يبسط النموذج من خلال السماح بعوامل انتشار أن تُستبعد، ولكن يمكن أن يؤدي هذا الافتراض إلى عدم دقة عندما يكون الانتشار التفاضلي كبيرًا، خاصة في هياكل اللهب متعددة الأبعاد. يتم التأكيد على الحاجة إلى متغيرات تحكم إضافية، مثل نسب الكتلة العنصرية، لالتقاط التراكيب المحلية والحالات الحرارية بدقة، حيث غالبًا ما تفشل النماذج التقليدية في أخذ تعقيدات تأثيرات الانتشار متعددة الأبعاد في الاعتبار.
تستعرض الورقة استراتيجيات نمذجة متنوعة، مشيرة إلى أن المحاولات الأولية لمعالجة الانتشار التفاضلي، مثل تلك التي قام بها فريمان وآخرون (2009) وريغيل وآخرون (2013)، قد تطورت إلى أطر أكثر تطورًا تتضمن نقل متوسط مختلط وانتشار حراري. أظهرت التقدمات الأخيرة، بما في ذلك عمل بيريز-سانشيز وآخرون (2025)، وعدًا في تحسين دقة النموذج لحرائق مضطربة من خلال دمج صيغة انتشار متوسط مختلط تأخذ في الاعتبار التأثيرات الحرارية. يقترح المؤلفون إطار نمذجة موسع يتضمن هذه التقدمات مع معالجة فقدان الحرارة وضمان حساب قوي لمصطلحات الانتشار. يهدف هذا الإطار إلى توفير نهج شامل لالتقاط تعقيدات ديناميات اللهب، خاصة في الظروف المضطربة وغير المستقرة.
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11200
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Max Schneider et al.
Primary Topic: Combustion and flame dynamics
Overview
This research investigates the flame-wall interaction (FWI) of lean premixed hydrogen/air flames, emphasizing the role of thermodiffusive instabilities in quenching within wall-bounded combustors. The study introduces advanced flamelet manifolds that incorporate a mixture-averaged species diffusion model and thermal diffusion to efficiently capture these interactions. A significant challenge addressed is the simultaneous representation of intrinsic instabilities and heat losses. The authors develop separate manifolds for each effect and subsequently create joint manifolds that combine both. The effectiveness of these models is evaluated through a-priori and a-posteriori analyses, particularly focusing on one-dimensional head-on quenching (HOQ) flames, which are crucial for accurately predicting wall heat flux and pollutant formation.
The findings reveal that the extended flamelet manifolds demonstrate high accuracy in capturing the thermochemical states and dynamics of thermodiffusively unstable flames. Specifically, a 2D manifold based on HOQ flames effectively parametrizes the thermochemical state space using hydrogen mass fraction ($Y_{H_2}$) and temperature ($T$). In contrast, a 2D manifold derived from freely propagating flames with exhaust gas recirculation (EGR) fails to accurately predict local states during quenching. The study concludes with recommendations for selecting appropriate manifolds for FWI in thermodiffusively unstable flames, suggesting that the 3D EGR-based manifold is preferable for mean quenching wall heat flux predictions, while the 3D HOQ-based manifold is better for accurate local thermochemical states. Future work will explore the application of these models in complex turbulent configurations and scenarios involving simultaneous stratification and thermodiffusive instabilities.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical role of green hydrogen ($H_2$) as a chemical energy carrier in the transition to a carbon-free energy system, particularly through fuel-lean premixed combustion, which minimizes thermal NOx emissions. However, lean hydrogen flames are prone to intrinsic flame instabilities, such as hydrodynamic and thermodiffusive instabilities, which can lead to significant challenges in maintaining stable combustion in practical applications like gas turbines and domestic heaters. Notably, recent findings by Schneider et al. (2025a,b) reveal that thermodiffusive instabilities can drastically alter quenching behavior in multidimensional lean premixed hydrogen flames, resulting in higher wall heat fluxes and shorter quenching distances compared to one-dimensional flames.
The paper also discusses the limitations of current tabulated chemistry (TC) models, which often assume unity Lewis numbers, thereby neglecting differential diffusion effects critical in hydrogen combustion. This oversight can lead to inaccurate predictions of flame properties and instability behaviors. To address these gaps, the authors propose a comprehensive approach to develop an accurate TC model that incorporates differential diffusion and thermal diffusion effects, particularly in the context of flame-wall interactions. The objectives include enhancing existing flamelet tabulation frameworks, deriving efficient methods for transport equations, and validating the model against detailed chemistry simulations across various configurations. The study aims to provide a robust foundation for improved simulations of hydrogen combustion, particularly in scenarios involving thermodiffusive instabilities and heat losses.
Methods
In this study, numerical simulations are conducted using the open-source computational fluid dynamics library OpenFOAM, specifically employing the finite volume method. For direct current (DC) reference simulations, the reactive compressible Navier-Stokes equations are solved using a custom solver derived from OpenFOAM’s reactingFoam. This solver addresses the continuity and momentum equations, along with species transport equations for all species \( Y_k \), except for \( N_2 \), which is derived from the constraint \( \sum_{k} Y_k = 1 \). The ideal gas law serves as the closure for the system of equations. For turbulent combustion (TC) simulations, an in-house solver based on OpenFOAM’s pimpleFoam is utilized, solving the transport equations for the relevant manifold variables alongside the continuity and momentum equations.
To maintain consistency across simulations, the same spatial resolution of 20 points per thermal flame thickness is applied, which has been validated in prior studies. Time integration employs an implicit second-order backward differentiation formula, while second-order discretization schemes are used for spatial derivatives, with a total variation diminishing limiter applied for scalar convection. The reaction mechanism utilized is based on Li et al. (2004), encompassing nine species and 19 reactions. The methodologies and findings are supported by previous validations and references, ensuring the robustness of the simulation framework. Further details regarding the operating conditions are provided in Section 5.
Discussion
In this section, the discussion centers on the complexities of modeling diffusion in combustion systems, particularly in the context of flame dynamics. The authors highlight that the diffusion term in the transport equations must account for contributions from all species involved in the reaction, necessitating a closure approach. Assuming a unity Lewis number simplifies the model by allowing diffusion coefficients to be factored out, but this assumption can lead to inaccuracies when differential diffusion is significant, particularly in multidimensional flame structures. The need for additional controlling variables, such as elemental mass fractions, is emphasized to accurately capture local compositions and thermochemical states, as traditional models often fail to account for the intricacies of multidimensional diffusion effects.
The paper reviews various modeling strategies, noting that initial attempts to address differential diffusion, such as those by Vreman et al. (2009) and Regele et al. (2013), have evolved into more sophisticated frameworks that incorporate mixture-averaged transport and thermal diffusion. Recent advancements, including the work of Pérez-Sánchez et al. (2025), have shown promise in improving model accuracy for turbulent flames by integrating a mixture-averaged diffusion formulation that considers thermal effects. The authors propose an extended modeling framework that incorporates these advancements while addressing heat losses and ensuring robust computation of diffusion terms. This framework aims to provide a comprehensive approach to capturing the complexities of flame dynamics, particularly in turbulent and unstable conditions.