热裂解态煤油在强湍流下火焰特性及燃烧建模研究

High-effeciency combustion in high-speed engines after thermal-protection depends on flame characteristics of thermal-cracking kerosene, which is highly relevant for the investigation of turbulence-chemistry interaction in engine combustion. In the project, reaction mechanism of thermal-cracking kerosen at different temperatures will be revealed. The law of reaction products under supercritical pressure will be obtained. The flame characteristics of thermal-cracking mixture will be carried out. The model of partially-premixed flamelet with molecular diffusion will be developed. Based on multi-scale large eddy simulation, the interaction between thermal cracking/combustion reactions and turbulent mixing will be analyzed. The proposed research will provide the basis for the integration development between combustion and thermal-protection in high-performance engine.

热裂解态航空煤油湍流火焰特性对热防护后高速飞行器发动机的高效燃烧起着决定性的作用，是重大专项中“受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用”的关键科学问题。本项目以热裂解态航空煤油为研究对象，结合实验、理论和数值模拟，揭示航空煤油在不同温度下热裂解过程的反应机理，获得超临界压力下热裂解反应产物组成规律；开展热裂解态燃料的火焰特性研究，构建考虑分子扩散效应的热裂解态燃料的部分预混火焰面模型，结合多尺度大涡模拟方法，分析热裂解和燃烧化学反应与湍流混合的相互耦合作用机理，为先进高性能发动机燃烧以及热防护的一体化发展提供理论依据。

热裂解态航空煤油湍流火焰特性对热防护后高速飞行器发动机的高效燃烧起着决定性的作用，是重大专项中“受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用”的关键科学问题。本项目通过航空煤油流动换热及热裂解反应模型试验，揭示航空煤油在不同温度下热裂解规律，建立了轻度裂解、二次裂解和重度裂解三个区域所对应的集总裂解动力学模型；搭建适用液态碳氢燃料的燃烧弹实验装置，开展了不同碳氢燃料在不同裂解温度下裂解态燃料的层流和湍流火焰传播速度规律研究，基于试验结果构建了适用于碳氢燃料、完全裂解和部分热裂解态燃料的氧化反应简化机理；发展超临界态热裂解燃料输运型部分预混火焰面模型，解决了原有代数型部分预混模型中预混因子不连续的问题；采用发展的输运型部分预混火焰面模型大涡模拟方法，结合裂解态燃料的氧化反应简化机理，开展热裂解态燃料在超声速燃烧室中大涡模拟数值计算研究，对比了未裂解、部分裂解以及完全裂解态超临界煤油的稳焰模式以及部分预混区的差别，发现未裂解和部分裂解煤油的火焰稳定模式为凹腔稳焰，而完全裂解煤油的稳焰模式则为射流尾迹和凹腔稳焰，未裂解和部分裂解煤油的燃烧反应比完全裂解煤油更容易受到湍流脉动的影响，揭示热裂解/湍流部分预混/燃烧耦合相互作用机制，该项目为高超飞行器动力的燃烧与热防护一体化发展提供了重要支撑和理论依据。