湍流液雾燃烧的概率密度函数方法模拟的基础研究

The focus of this proposal is on the fundamental research on the implementation of PDF methods on the turbulent spray combustion. A hybrid LES/PDF algorithm combined with FPV (UFPV) model is developed to investigate the challenging problems in two-phase spray combustion, e.g. auto-ignition, ignition and pollutants emissions. The main research interests include the design of hybrid algorithm, the modification of PDF models and the optimization of the numerical methods. The well-known Sydney spray combustion experiments are chosen as test cases. The specific topics are the tabulation of chemistry in two-phase flows, modeling of the PDF equations, and the effects of gaseous velocity and scalar fluctuations on droplet dispersion and evaporation. The optimization is to be made between the computational accuracy and cost, so that the procedure is able to calculate the spray flames in engineering applications.

本项目致力于用概率密度函数方法计算湍流液雾燃烧的基础研究。采用大涡模拟和概率密度函数方法相结合（LES/PDF）的混合算法，并与FPV（UFPV）火焰面模型结合，发展能够计算液雾燃烧的点火，自点火，污染物排放等具有挑战性的问题的大型计算程序。主要研究内容涉及到混合算法设计，模型改进和数值方法优化，并用有实验数据的算例检验计算效果。具体研究内容包括液雾化学热力学参数建表，混合分数和化学反应进度概率密度方程的模化，和气相脉动对液雾蒸发和弥散的影响。在计算精度和计算效率间作出优化选择，使得计算程序能够面向工程应用。

液雾两相流燃烧过程复杂，在工程中应用广泛。本项目发展液雾两相流燃烧的大涡模拟程序，用拉格朗日方法计算液相，欧拉方法求解气相方程，用化学建表方法处理化学反应。主要目标是对建表标量的联合概率密度函数形状进行改进。由于液雾燃烧的多种燃烧机制共存的特点，我们研究了多种类型的建表方法，包括火焰面/反应进度模型(FPV)，预混火焰面流型生成方法(FGM)，火焰面密度模型耦合建表方法(FSD-FGM)等。采用基于矩阵分析的主成分分析法(PCA)确定建表特征标量；研究混合分数和化学反应进度的联合PDF；考虑蒸发影响的FPV建表方法。我们对典型的实验室尺度燃烧器中气相和液雾燃烧进行模拟，并与已有的实验结果做了比较。本项目还通过直接数值模拟研究液雾两相流自点火过程，目的是研究液雾燃烧中标量小尺度混合的规律。分析了自点火过程的特征和影响因素；混合分数和标量耗散率的统计特性的演化；自点火过程的放热指标的选择；以及中低温条件下液雾自点火过程的特殊现象。本项目属于应用基础研究，对液雾燃烧的数值模拟方法的发展有一定意义。