旋流液雾蒸发和燃烧的高精度数值模拟及实验研究

液雾蒸发和燃烧广泛应用于能源动力、航空航天、化工冶金等关键工程领域。它是受湍流流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程，存在着相内和相间的质量、动量和能量传递。为了探索液雾蒸发和燃烧过程的内在规律，并对其进行有效的控制和合理的运用，本项目提出采用高精度数值模拟方法和现代激光测量技术对工程上广泛应用的旋流液雾蒸发和燃烧进行系统的研究。拟以三维高精度格式的大涡模拟和直接数值模拟为主，实验研究为辅，集中研究液雾蒸发和燃烧的若干关键基础问题，包括液雾燃烧的火焰规律、液滴蒸发与湍流燃烧的相互作用、液滴的局部聚集效应对两相燃烧的影响、气态污染物NOx和烟尘颗粒Soot的生成以及内嵌边界方法在液雾燃烧数值模拟中的应用等。基于直接数值模拟和实验验证，还拟提出新的大涡模拟两相湍流燃烧模型，同时考虑液滴蒸发与湍流燃烧的相互作用、液滴的局部聚集对两相燃烧的影响，以及预混燃烧和扩散燃烧并存的复杂情况。

液雾蒸发和燃烧广泛应用于能源动力、航空航天、化工冶金等关键工程领域。它是受湍流流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程，存在着相内和相间的质量、动量和能量传递。为了探索液雾蒸发和燃烧过程的内在规律，本项目发展了三维高精度格式的直接数值模拟以及质量守恒的Level Set方法，对液雾雾化、蒸发和燃烧的若干关键基础问题进行了研究；揭示了液体雾化与湍流涡结构的相互作用规律以及液雾蒸发和燃烧的内在规律，包括液雾蒸发与燃烧的相互作用规律、选择性聚集对两相蒸发和燃烧的影响等；发现液雾燃烧中同时存在预混和扩散燃烧火焰，湍流有利于液滴蒸发，液滴的尺寸主要影响蒸发速率和液滴的寿命；验证了标量耗散率、蒸发速率和反应速率的CMC燃烧亚模型；发现液雾蒸发会影响标量耗散率，甚至直接影响局部小火焰结构，在此基础上提出了液雾蒸发和燃烧的小火焰模型和方程；为了能同时描述预混火焰和扩散火焰，项目还发展了新的两相液雾蒸发和燃烧的大涡模拟方法，包括复合小火焰模型、动态全增厚燃烧模型以及二阶矩湍流燃烧模型，并对实际工业应用中的航空发动机和燃气轮机燃烧室燃烧进行了大涡模拟研究，获得了更好的模拟结果。