Dual-modification transported probability density function framework for hydrogen combustion simulation: Resolving differential diffusion effects

物理 概率密度函数 扩散 对偶(语法数字) 统计物理学 燃烧 差速器(机械装置) 机械 热力学 物理化学 量子力学 统计 文学类 艺术 化学 数学
作者
Yudong Wang,Fang Wang,Shaolin Lei,Jin Chuan Jie,Dasheng Wei,Feng Feng,Peng Liao
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (4)
标识
DOI:10.1063/5.0265866
摘要

Accurate modeling of differential diffusion effects is critical for advancing hydrogen combustion simulations in next-generation propulsion systems. This study develops an enhanced Eulerian stochastic fields (ESF) method within a transported probability density function (TPDF) framework, incorporating two key innovations: species-specific diffusion coefficients calculated via the Chapman–Enskog theory and modified stochastic transport terms accounting for differential Wiener processes. The model resolves the inherent limitations of unity Lewis number assumptions, particularly crucial for hydrogen's high diffusivity. Validation in a vitiated coflow burner demonstrates a 15% improvement in flame lift-off height predictions, with a 93% error reduction in OH radical concentrations, resolving long-standing overmixing issues. Application to a high-pressure rocket combustor reveals 18% shorter low-OH zones, indicating enhanced H2/O2 mixing through modified stochastic transport. The dual modification of both deterministic diffusion and stochastic terms proves essential for capturing preferential radical transport in near-field regions, turbulence–chemistry interactions at subgrid scales, and mixing-limited combustion dynamics. These findings establish that differential diffusion significantly impacts flame stabilization through competing mechanisms—enhancing fuel-oxidizer mixing while promoting radical dispersion into inert flows. The demonstrated framework provides critical capabilities for optimizing hydrogen combustor designs across atmospheric and supercritical pressure regimes.
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