液雾燃烧考虑液滴不同火焰状态的“多尺度串级模拟”方法和试验研究

高速摄影等实验结果指出，液雾火焰中油滴蒸发后有火焰在油滴间燃烧和单油滴带独立火焰燃烧等不同的瞬态火焰结构，目前尚无普适定量判断规律。液雾燃烧的雷诺平均模拟，点源颗粒的大涡模拟(LES)和直接模拟至今都是基于火焰在油滴间燃烧的模式，没有考虑单滴带火燃烧情况，因此单滴燃烧不能忽略的液雾火焰的预报结果与实验值偏差较大。有限粒径的全直接模拟(FDNS)，应当能给出此规律，但计算量巨大，难以实用。本项目首次提出"多尺度串级模拟"的研究思路（FDNS-LES），即首先对单油滴燃烧进行FDNS的细观模拟，同时进行单滴燃烧实验，检验FDNS，取得在不同相对速度、温度和湍流度条件下油滴燃烧的不同模态和蒸发燃烧规律，构建油滴蒸发/燃烧新的子模型，再以此子模型为基础对液雾燃烧进行大涡模拟，给出液雾火焰的不同瞬态结构，与文献瞬态、统计实验结果对比，检验串级模拟方法以及新的液雾燃烧模型，使之应用于液雾燃烧装置设计中

气液两相燃烧现象中存在油滴蒸发后火焰在油滴间燃烧和单油滴带独立火焰燃烧等不同的瞬态火焰结构，现有的两相火焰模拟方法不能完全考虑这些火焰结构，需要新的子模型。本项目对此问题进行了深入研究，按照"多尺度串级模拟"的研究思路，依次进行了单液滴细观模拟、单液滴蒸发燃烧实验、液雾火焰大涡模拟等工作，形成全状态两相湍流燃烧模型。基于气液两相双向能量传输思想，构建了新的液滴蒸发燃烧两相模型，在某甲醇液雾火焰中，新模型预报结果和实验数据最接近，能够得到单侧平均温度双峰分布，优于已有模型。