液雾两相蒸发与燃烧耦合的数值模拟研究

The project is proposed due to the fact that there is insufficient understanding of the coupling mechanism of evaporation and combustion, and the accuracy and applicability of the evaporation model and the flamelet combustion model are limited. The project firstly develops the full-scale direct numerical simulation method with coupling the interface tracking method, and then investigates the evaporation mechanism with irregular liquid structures and the effect of evaporation on combustion in spray combustion. The evaporation model considering irregular liquid structures’ effects and flamelet combustion model considering the effect of spray evaporation on combustion are finally developed and validated. It can provide reliable models for establishing a high fidelity gas-liquid two-phase combustion large eddy simulation platform in the future. It will simulate the two-phase turbulent combustion process in the actual engine combustion chamber more accurately and provide theoretical basis for advanced engine research and development.

针对当前雾化燃烧中蒸发与燃烧耦合作用机理不清晰、蒸发模型和小火焰燃烧模型的精度和适用性存在的不足之处，本项目首先发展耦合气液界面追踪的雾化燃烧全尺度直接数值模拟方法，探究液雾燃烧中非规则液体结构的蒸发规律以及蒸发对燃烧的影响机制，进而改进和发展高精度的考虑非规则液体结构影响的蒸发模型和考虑液雾蒸发影响的复合小火焰燃烧模型并验证，为以后建立高可信度的液雾两相燃烧大涡模拟平台提供可靠模型，从而更加准确地模拟实际发动机燃烧室内的两相湍流燃烧过程，为先进发动机的研发提供可靠的手段和理论依据。

雾化燃烧过程广泛存在于能源工程、航空航天等关键工程领域。当前雾化燃烧模拟中，蒸发与燃烧耦合作用机理不清晰、蒸发模型和小火焰燃烧模型的精度和适用性存在不足。本项目采用自主开发的高精度雾化燃烧直接数值模拟方法，针对雾化、蒸发、燃烧过程开展算法、机理和模型方面的研究。.算法方面，本项目开发了一种耦合气液界面追踪的雾化燃烧全尺度直接数值模拟方法，采用 Level Set 方法跟踪气液界面，Ghost Fluid Method 处理界面处的速度、压力、浓度、温度梯度的阶跃条件，重点解决了速度-压力求解器由于蒸发现象导致的速度散度改变的问题，并通过大量的理论和实验数据验证了该方法的准确性。.机理方面，本项目开展了均匀各向同性湍流中液体变形和蒸发的大规模直接数值模拟，建立了湍流中蒸发液滴的直接数值模拟数据库，并研究了界面变形-湍流-蒸发三者之间的相互作用机理，揭示了蒸发对湍流和液滴变形和破碎的影响规律。研究发现，蒸发可以抑制液滴的合并，液滴表面的蒸发速率不均匀等；液滴周围的速度脉动减弱，蒸发极大削弱了液相的湍动能。表面张力做功和蒸发做功与界面面积变化率存在联系。.模型方面，基于详细化学模拟数据和蒸发理论，本项目开发了考虑非规则液体结构影响的蒸发模型和考虑液滴蒸发影响的复合小火焰燃烧模型，该模型先后通过了先验、后验、和标准液雾燃烧实验，验证了该模型的准确性。.本项目的研究揭示了雾化-蒸发-燃烧之间的相互作用机理，得到了高精度的雾化燃烧模拟算法和模型，为发动机燃烧室内雾化燃烧的准确预测和调控提供理论指导和技术手段，为解决低排放需求、推动两机专项计划和研发CFD基础工业软件奠定基础。