液滴/火焰相互作用机理及湍流喷雾燃烧火焰面模化方法研究

Turbulent spray combustion has attracted increasing scientific interests due to its wide usage. The current project intends to develop a new flamelet-based model that is suitable for spray combusiton via systematic study and deep insight of both the library construction and lookup processes. The numerical and experimental study on the single drople/flame interaction will be conducted first. The main objectives of this study are: first, to devleope and validate a numerical tool that is able to precisely reproduce the drople/flame interaction process; and second, to prepare knowledge for next stage of reasearch via the analysis of this process. The spray counterflow flame will be studied using the numerical tool built before in the second stage of the project. The results of the spray counterflow flame and gaseous counterflow flame will be compared in the controlling varilabe space, in order to find the characteristics of spray flames, and the underlying mechanism. New independing variables will be extracted in order to be able to describe these charistics of spray flame with the library. Finally, a self-consistent flamelet-based model for spray combustion through the combination of the FGM model, LES technique and the Lagrangian transported PDF mehtod.

湍流喷雾燃烧以其广泛的应用而受到广大研究者的日益重视。本项目旨在通过对喷雾燃烧特性的系统研究和深入理解，从火焰面查询库的建立与查询两方面着手，最终建立适用于湍流喷雾燃烧的火焰面模化新方法。项目首先开展单液滴/火焰相互作用过程的数值模拟和实验研究。此阶段研究的主要目标为：第一，建立并验证可精确求解液滴/火焰相互作用过程的数值模拟工具；第二，通过对该过程的分析，为认识喷雾燃烧特性储备理论基础。项目第二阶段，将利用所建立的数值模拟工具对喷雾对冲火焰进行深入分析，并通过在控制变量空间内与相应气相对冲火焰进行比较，研究喷雾燃烧特性，揭示这些特性产生的物理机制，并提取特征参数加以量化表征，从而提出适用于喷雾燃烧的火焰面查询库建立方法。最后，通过将FGM模型与大涡模拟技术以及拉格朗日输运PDF方法相结合，建立完备、自洽的湍流喷雾燃烧火焰面模化方法。

湍流喷雾燃烧广泛存在于航空发动机、火箭发动机、汽车发动机等各类能源动力装置中，本项目针对应用于湍流喷雾燃烧的数值模拟开展研究，重点研究了火焰面类模型应用于湍流喷雾燃烧数值模拟的相关问题。首先针对FGM模型开展分析，研究了现有FGM模型的优势和面临的主要问题，即：第一，预设型PDF不适用于存在液滴蒸发的喷雾燃烧的模拟；第二，火焰面数据库，尤其是当控制变量比较多的情况下，对内存需求很大。针对以上问题，发展了一种新型的将输运PDF模型与火焰面模型相结合的湍流燃烧模型。其中，输运PDF模型采用欧拉随机场（ESF）模型，便于与欧拉方法的FGM模型耦合，并对所发展的模型开展了验证。进一步，为探究火焰面模型应用于喷雾燃烧的问题，开展了喷雾对冲火焰的计算，分析了喷雾对冲火焰的特性和气相对冲火焰的特点，发现了喷雾对冲火焰特有的性质，为发展适用于湍流喷雾燃烧模拟的新模型发展奠定了基础。在此基础上，将所发展的ESF/FGM耦合模型拓展至湍流喷雾燃烧的模拟，并基于OpenFOAM平台开发了湍流喷雾燃烧求解器，并利用DSHC火焰数据库开展了模型验证。项目共发表SCI论文11篇，培养硕士研究生3人（其中1人为与代尔夫特理工大学联合培养）、博士研究生2人。