面向发动机的部分预混条件下的点火和湍流燃烧的关键基础问题研究

Partially Premixed Flames are ubiquitous in modern engines, especially in gas turbine engines where such flames are a common and important phenomenon as well as a key method for combustion control. Thorough understanding of ignition and combustion under partial premixing is a challenging but crucial scientific question for Chinese and international combustion communities. In the meantime, accurate and reliable prediction of such complex phenomena is a pre-condition for developing combustion technologies for advanced gas turbine engines. Based on direct numerical simulation (DNS) on a high-performance supercomputer, the project will conduct a systematic study of the ignition and combustion characteristics of partially premixed flames in order to gain fundamental understanding of the various combustion modes. A preliminary theoretical framework will be established for partially premixed flames. Highly accurate DNS databases will be generated to validate, select and further develop subgrid-scale combustion models in order to construct numerical simulation methods that are suitable for advanced engine development. The improved large eddy simulation (LES) will be used for the first time to simulate combustion in the thin reaction zone under high Reynolds numbers that is directly relevant to gas turbine engines. Comparison will be made with benchmark experimental databases, and unprecedented understanding will be gained regarding turbulence-combustion interactions in constrained space. The research results will put China at the forefront of fundamental research on gas turbine combustion and provide China with crucial support for scientific and technological innovation in the engine field.

部分预混湍流火焰广泛存在于现代发动机，更是燃气轮机中普遍和重要现象以及燃烧控制的关键手段之一。深入理解部分预混条件下的点火和燃烧是国际国内燃烧界的难题和关键科学问题，而精确可靠地预测这些复杂过程是发展先进燃气轮机燃烧技术的先决条件。本项目基于高性能超级计算机上的直接数值模拟方法，系统的对部分预混火焰的点火和燃烧特性进行研究，以求达到对燃烧的各种模态有本质性的认识，将初步建立一个描述部分预混火焰的理论体系；并产生高精度数据库，对亚格子燃烧模型进行检验、筛选和进一步发展，以便发展更适用于先进发动机模拟和开发的数值模拟方法。所发展的先进的大涡模拟方法，将首次用于研究与燃气轮机直接相关的高雷诺数下的薄反应区，并和有代表性的实验结果相互验证，将对受限空间内复杂的湍流-燃烧相互作用取得前所未有的理解。研究成果将促进我国燃气轮机燃烧的基础研究水平跻身世界前沿，支撑国家在发动机领域的科技创新。

部分预混湍流火焰广泛存在于现代发动机，更是燃气轮机中普遍和重要现象以及燃烧控制的关键手段之一。深入理解部分预混条件下的点火和燃烧是国际国内燃烧界的难题和关键科学问题，而精确可靠地预测这些复杂过程是发展先进燃气轮机燃烧技术的先决条件。围绕以上科学问题和应用背景，本项目对部分预混条件下的点火和湍流燃烧的进行了系统、深入地研究，主要内容包括：1.部分预混条件下的点火和湍流燃烧直接数值模；2.亚格子燃烧模型的检验、筛选和进一步发展；3.部分预混火焰的大涡模拟与实验数据对比分析；4.部分预混火焰理论体系的探索。同时，增加了等离子体点火研究，发展了适合于大型数值模拟的燃烧化学反应简化机理（甲基环己烷，正十二烷和丙烷简化机理），采用反应分子动力学方法研究了燃烧过程中碳烟形成的机理以及液滴的动态过程。最后，发展了非平衡燃烧的离散玻尔兹曼模型，第一次用非N-S方程的离散数值方法模拟了部分预混火焰。基于高性能超级计算机上，本研究在多个方面达到了高参数：50个大气压下的点火模拟，Karlovitz数达2238的破碎火焰的直接模拟，马赫数5或更高的离散玻尔兹曼模拟。研究结果，加深了对部分预混条件下点火和湍流燃烧特性和机理的认识，增强了对发动机中各种相关燃烧现象本质性的理解，进一步发展了数值预测方法（包括直接数值模拟，大涡模拟，离散玻尔兹曼模型和反应分子动力学方法），建立了有关部分预混火焰及其点火的基础理论，产生了高精度的数据库，对亚格子燃烧模型进行检验、筛选和进一步发展，为研发先进发动机提供了理论和数值模拟的基础。