航空用燃焼器内部流れの数値シミュレーション

A parallel numerical simulation code for three-dimensional spray combustion in an aircraft combustor has been developed. In this code, the Euler equations are used for the droplet phase assuming a continuous fluid, and the full Navier-Stokes equations are applied for the gas phase. Both phases are connected through mass, momentum and energy exchange equations, and solved simultaneously. The droplet phase has a radius distribution, and is divided into five groups of different initial radius, and they are treated as individual phases. And vaporization and combustion of fuel droplets are included in the calculation. Both phases are solved by the finite difference method, and the Harten-Yee's explicit non-MUSCL (Monotone Upwind Schemes for Conservation Laws) modified-flux type TVD (Total Variation Diminishing) scheme is applied to convective terms and the central difference scheme is to viscous terms of the gas phase. On the other hand, because the phenomena of spray combustion are complicated over the whole combustor, minute simulation requires fine calculation grid, and it takes large computational memory and time. So, to extend the code to three-dimension, parallel calculation method was used to divide calculation region and gas-liquid phases, and each calculation was treated on each Processor Element (PE). And a model flow field of liquid fuel combustor was numerically simulated by a parallel super computer NWT (Numerical Wind Tunnel) in the laboratory.
航空用燃焼器における3次元噴霧燃焼のための並列数値シミュレーションコードを開発した。本コードでは、液滴相を連続流体と仮定してオイラー方程式を用い、気相には完全ナビエ・ストークス方程式を適用した。質量、運動量およびエネルギー交換方程式により両相を結合し、同時に解を求めた。液滴相は粒径分布を有し、異なる5つの初期粒径グループに分割し、それぞれを個々の相として取り扱った。燃料液滴の蒸発および燃焼を計算に含めた。両相を有限差分法により解き、対流項にはHarten-Yeeの陽的非MUSCL(保存則に対する単調上流中心)改良流束型TVD(全変動減少)法(Harten-Yee's explicit non-MUSCL modified-flux type TVD scheme)を、気相の粘性項には中心差分法を適用した。一方、噴霧燃焼の現象は燃焼器全体にわたって複雑なので、精密なシミュレーションでは綿密な計算格子が必要となり、大きな計算メモリおよび時間を要した。そこで、コードを3次元に拡張するため、計算領域と気・液相を分割する並列計算法を用いて、それぞれをPE(プロセッサ要素)ごとに取り扱った。当研究所の並列スーパコンピュータNWT(数値風洞)を用いて、液体燃料燃焼器の流れ場モデルを数値シミュレーションした。