油滴周围流动和火焰结构与新亚网格两相小火焰模型研究

The experimental observations show that combusting droplets and spray turbulent combustion has different transient flow and flame structure, but failed to give the law of quantitative. Numerical simulations, whether PDNS(Particles Source Direct Numerical Simulation), LES(Large Eddy Simulation) or RANS(Reynold Averaged Navier-Stokes), are all based on the evaporation model of cold droplets in the gas flames where the evaporation and burning are decoupled, pure oil droplets evaporate,pure gas combustion model and cold particles resistance coefficient are adopted, turbulent modulation is neglected. So,the numerical simulation results can't predict the true spray turbulent combustion process reasonably. FDNS(Fully-Resolved Direct Numerical Simulation) should be able to give a real process. However, because of demanding a huge amount of storagede and high speed computer, it is difficult to achieve. This project presents a multi-scale analysis method which simulate combusting droplets using the FDNS and experimental research firstly.And then obtaining the evaporation rate, resistance and turbulent modulation rules with the conditions of the relative speed, different particle size, environment temperature and turbulence intensity of surrounding combusiting droplets of flow and flame structure. Then constructing a new sub-grid two-phase flamelet model used for large eddy simulation of spray combustion and the statistical results will be validited. Finally,we can get more actual flame structure and the more reasonable spray CFD numerical results of spray combusion.

实验观测表明，油滴燃烧和液雾湍流燃烧都有不同的瞬态流动和火焰结构，但是未能给出定量的规律。目前的数值模拟中，不论是点源颗粒的直接模拟、大涡模拟，还是雷诺平均模拟，都是基于冷油滴在气体火焰中蒸发的模型，将蒸发和燃烧解耦，分别采用油滴纯蒸发和纯气体燃烧模型，冷颗粒阻力系数，忽视湍流变动规律。模拟结果不能合理地预测真实液雾燃烧过程。液雾燃烧的全尺度直接数值模拟，应当能给出真实过程，但是计算量十分巨大，难以实现。本项目对油滴燃烧进行全尺度直接数值模拟，并且进行实验研究，取得不同的相对速度、颗粒尺寸、环境温度和湍流度下的油滴燃烧时周围的流动和火焰结构，蒸发规律，阻力和湍流变动规律。用此研究结果构造新的亚网格两相小火焰模型，用于液雾湍流燃烧的大涡模拟，并对统计模拟结果进行实验检验，从而得到更符合实际的液雾火焰结构和更合理的液雾燃烧的CFD数值模拟方法。

液雾两相湍流燃烧的数值模拟在能源，汽车和航天航空等工程领域中有广泛的应用，现有多相湍流燃烧模型不能精准预测真实燃烧过程。本项目进行了单油滴燃烧过程的全尺度直接数值模拟和大涡模拟，建立了油滴在不同工况条件下蒸发/燃烧过程的不同模态和判别准则，构建了液雾湍流燃烧新的数值模拟方法的整体思路、框架与判据准则基础。与实验和解析理论值对比，验证新的燃烧油滴阻力、蒸发率、湍流变动和燃烧率（油滴扩散燃烧、燃料蒸气的预混扩散燃烧及其共存燃烧模式）子模型，给出了不同相对速度下的不同燃烧模态，和实验观测一致。 阐明了实验中观察到的蒸发常数随相对速度的增大先升高、后下降、然后突降的机理。模拟结果指出，有蒸发和燃烧的油滴的阻力远小于无蒸发和燃烧的固体颗粒的阻力。通过解析近似解析解（运用Frank-Kamenetsky处理非线性反应项的近似法）和数值解，建立了新的油滴着火模型和液雾燃烧新的两相小火焰模型基础数据库，其结果给出了油滴着火极限的气体相对速度、油滴尺寸以及环境温度之间的函数关系，建立了液雾燃烧多模态的研究方法，用此研究结果构造新的亚网格两相小火焰模型数据库，分析了其影响因素，建立了关联。最后，基于新的亚网格两相小火焰模型思路，对真实液雾燃烧工程进行大涡模拟，给出两相火焰的瞬态结构，并将统计模拟结果与实验结果对比，从而得到更符合实际的液雾火焰结构和更合理的液雾燃烧的CFD 数值模拟方法与程序集成。进一步探明实际燃油动力机械燃烧室工作过程中湍流、多相流与燃烧的相互作用规律，为实际液雾湍流燃烧提供了重要的理论、预测模型和设计方法。