航空煤油超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟和计算软件开发

High-pressure combustion commonly exists in aerospace propulsion systems, serving as an effective mean to increase engine thermal efficiency and improve combustion process. In rocket and advanced gas turbine engines, the operation pressure in a combustion device usually exceeds the critical pressure of the fuel, leading to injection, mixing, and combustion phenomena at supercritical pressures. In this proposed research project, numerical studies are to be carried out on non-premixed turbulent combustion of the aviation kerosene under supercritical pressures; a set of computational software will be developed for studying non-premixed turbulent combustion phenomena, based on accurate calculations of the thermophysical properties and incorporating the laminar flamelet model and a presumed PDF function to account for turbulence/combustion interaction at supercritical pressures; using this set of computational software, the turbulent coaxial injection, mixing, and combustion phenomena of the China No.3 aviation kerosene/air will be systematically investigated to comprehend the complex combustion processes and to elucidate the key influential factors on pollutant formation at supercritical pressures. This work shall lay a solid foundation for future design and optimization of high-pressure engine combustors. The results of this research project have therefore both fundamental importance and practical applications.

高压湍流燃烧现象在航空航天推进系统中普遍存在，它是提高发动机热效率及改善燃烧过程的一种有效手段。在火箭和先进航空涡轮发动机中，燃烧室内的工作压力往往超过燃油的临界压力，从而形成了超临界压力下的喷油、混合及燃烧现象。本项目拟开展航空煤油在超临界压力下的非预混湍流燃烧数值模拟研究；在准确计算航空煤油热物性变化的基础上，基于超临界压力层流小火焰模型及假定的PDF分布函数来考虑湍流/燃烧的相互作用，开发一套超临界压力下航空煤油非预混湍流燃烧的数值模拟仿真软件；在此基础上，系统地开展中国3号航煤/空气在超临界压力下的湍流同轴喷射、混合及燃烧现象的数值模拟研究，深入了解和掌握其复杂燃烧过程，探明影响燃烧污染物形成的主要因素，为航空航天领域发动机高压燃烧室的设计优化打下基础。这项研究工作既具有非常重要的基础理论意义又具有非常重大的实际应用价值。

提高航空航天推进和动力系统的工作压力是改善其热效率的一种有效手段，因此高压湍流燃烧现象在航空航天发动机中普遍存在。在火箭和先进航空涡轮发动机中，燃烧室内的工作压力往往会超过燃油的临界压力，从而形成超临界压力喷油、混合及燃烧现象。本项目以此为研究背景，开展了航空煤油超临界压力湍流燃烧方面的数值模拟研究，建立了相关数值模型、开发了计算软件。项目完成的主要研究内容包括：采用扩展的对应态方法开发了航空煤油热物性计算软件，分析确定了能够同时准确考虑航空煤油热物性变化及其详细化学反应机理的简化替代物模型；基于以上简化替代物模型和热物性计算软件，建立了航空煤油超临界压力层流火焰数值模型和计算软件；基于超临界压力层流火焰计算结果和假定的PDF分布函数，建立了超临界压力火焰面数据库，采用Flamelet/Progress-Variable湍流燃烧模型，开发了航空煤油超临界压力湍流燃烧数值模拟软件；对以上数值模型和计算软件进行了充分的验证和完善，在此基础上开展了超临界压力喷射、混合及湍流燃烧现象的数值模拟研究，探讨了不同工作参数（包括燃烧室压力、当量比、入口温度等）对湍流燃烧和污染物（主要是NOx）排放的影响。本项目中所完成的基础研究结果对深入了解与火箭发动机和先进航空发动机相关的超临界压力湍流燃烧机理具有重要的基础理论意义。另外，项目中开发的相关计算软件也为后续超临界压力层流和湍流燃烧研究以及相关发动机的燃烧室设计优化提供了一个有效的研发工具。