锋面追踪技术在超声速气流下液态射流雾化过程模拟中的应用及雾化模型研究

A certain convenient but simple representation of the droplet size distribution is always adopted for the simulation of combustion of liquid fuel in supersonic freestream, which inevitably leads to low computational accuracy for the simulation of supersonic combustion. In the present proposal, research work will be performed to improve the simulation accuracy for combustion of liquid fuel in supersonic freestream, (1) Develop a kind of low-diffusive and high-accurate front tracking solver; (2) To perform system analysis and simulation for the spray of liquid jet in supersonic freestream, by using the low-diffusive and high-accurate front tracking solver; (3) To achieve a modified spray model specially for the computation of spray of liquid fuel in supersonic freestream, by tuning the exact parameter/coefficient values or the formular for the spray model;(4) To make a accurate initial and boundary conditions for droplet size distribution with the application of the modified spray model and perform the accurate combustion simulation of liquid fuel in supersonic freestream.

当前应用广泛的液态燃料超声速燃烧模拟方法，对计算初始的射流雾化没能给出合理的数学建模，而是应用简化的雾化液滴分布函数，忽略了流场尺度及当地流动条件等流场非线性信息对雾化的影响，从计算起始就引入了较大的建模误差，从而破坏了液态燃料超声速燃烧的整体模拟精度。本申请项目将针对液态燃料在超声速气流下的雾化问题，（1）开发与验证具有低耗散、高精度特征的Front Tracking界面追踪模拟求解器；（2）借助高性能计算设备和并行计算技术，开展超声速气流下液态射流雾化过程的数值模拟与参数化分析工作，深入认识超声速气流下液态燃料射流的雾化机理；（3）借助数值模拟结果，对文献中已有的射流雾化模型进行可靠性验证与甄别工作，并通过合理的参数修正，推演和完善适用于超声速气流下雾化过程描述的改进数学模型；（4）应用改进后的雾化模型建立有效的雾化初始和边界条件，结合湍流燃烧求解器开展超燃过程的模拟验证。

液态燃料雾化程度及燃烧效率的好坏直接影响发动机的动力性能和低排放特性。雾化燃烧问题具有典型的时空多尺度特征，对数值模拟工具的鲁棒性和可靠性要求很高，数值计算规模也很大，限制了数值方法在这类研究课题上的充分应用。当前广泛应用的液态燃料燃烧模拟方法，通常应用简化雾化模型近似考虑燃料射流的雾化液滴分布信息，从计算起始就引入了较大的建模误差，从而破坏了液态燃料燃烧的整体模拟精度。.本课题面向发动机燃烧室中液态燃料雾化燃烧过程的数值分析研究，重点关注问题的时空多尺度特征，从数值方法构建和雾化燃烧过程机理分析两个方面开展了对应的研究工作。.数值方法构建方面，针对研究对象的特点，开发实现了如下多个方面的计算技术和方法：.（1）多尺度问题的准确模拟需要大规模的计算网格，研究团队实现了大尺度非结构网格并行生成技术，实现了真正意义上的全过程并行数值模拟。.（2）实现了基于非结构网格的高阶低耗散有限元计算格式，并在此格式基础上引进了超粘性技术，提升了对多尺度问题以及激波/湍流相互作用过程的捕捉精度和可靠性。.（3）针对介质界面和激波等具有各向异性特征的流场现象，实现了三维各向异性非结构网格自适应求解技术，展示了在提升计算效率和计算分辨率等方面的优势。.（4）开发实现了具有低耗散、高精度特征的Front Tracking界面追踪计算模块，可以对射流破碎雾化过程进行详细数值模拟分析；.（5）开发实现了“动态增厚火焰”燃烧模型，可以考虑湍流燃烧相互过程。.雾化燃烧过程机理分析方面，具体开展了如下分析工作：.（1）对激波/气泡群相互作用问题进行了详细的模拟和分析，获得了气泡群形变过程的定量描述信息；.（2）对高速脉冲爆震发动机内的爆燃爆震转捩过程进行了详细模拟，对爆震起爆过程的形成机理进行了精确的分析；.（3）借助广州超算中心的天河2高性能计算机集群，对高速液态燃料射流过程进行了直接数值模拟，高分辨率地揭示了射流的失稳及液丝、液滴的产生机理。