预膜式喷油雾化下的两相湍流燃烧模型研究

In order to improve the numerical prediction accuracy of the fuel breakup and the gas-oil two phase combustion in a modern low pollutant emission combustors with prefilming airblast atomizer, a novel primary break-up model based on the analysis of experimental data is proposed in this project. According to the mechanism of the fuel film break-up under swirling flow, a phenomenological model will be developed taking into account of the characteristic scales of the injector and the physics. This approach allows to employ much coarser mesh grids and larger time steps that make suitable for the simulation of realistic industrial configurations. The spray evaporation and thermodynamics model taking into consideration of turbulent disturbance will be developed according to the mechanism of the single drop atomization process. Numerical simulation will be initially carried out to understand the effects of spray model on turbulent combustion, using large eddy simulation for turbulence model, Euler-Lagrange method for the two phase flows. The outcome of the study will be expected to be used in the numerical prediction of the low pollutant low emission combustors, which will be a great theoretical and technical support for the research and design of the new generation of aircraft engines.

为解决现代低污染燃烧室中预膜式喷油雾化和两相燃烧预测精度问题，本项目拟在实验研究预膜式喷油雾化机理的基础上建立现象型初次雾化模型，该类模型具有预测准确、计算量小，适用性强等优点。本项目拟根据旋流强度对预膜式雾化的影响机理，提出基于喷嘴几何尺寸和雾化物理特性的初次雾化模型，并结合单液滴雾化蒸发机理改进离散相中的湍流蒸发模型和热力学模型，得出欧拉-拉格朗日方法中预测精度高的两相雾化模型，将该模型初步用于大涡模拟研究燃油雾化与湍流燃烧的相互作用机理中。该研究成果将有望应用于新一代低污染低排放燃烧室的预测中去，为新一代高性能发动机的研制提供理论与技术支持。

预膜式喷嘴作为空气雾化喷嘴中的一种，其结构比较简单，雾化效果好，尤其在航空发动机燃烧室低工况时，能够提高燃烧效率，大大降低NOx、冒烟等污染物排放，具有较好的工程应用前景，因此本项目以预膜式喷嘴燃烧室为研究对象，针对预膜式喷油雾化和燃烧的耦合问题开展了基础研究，采用试验和数值仿真相结合的方法，探索预膜式喷嘴的雾化机理和预膜式喷雾燃烧的数值预测方法，主要完成了以下的研究内容：1）试验研究了预膜式喷嘴初次雾化的机理，获得了不同气动参数对液膜破碎模态和雾化特性的影响，建立了初次雾化特性的经验预测公式；2)在欧拉拉格朗日体系下开展预膜式喷嘴的数值预测模型的研究，开发了ILISA初次雾化模型，对模型进行了验证，预测结果与试验符合较好，并将模型用于研究多级旋转气流作用下预膜式喷嘴的雾化特性预测与分析；3）预膜式喷嘴燃烧室两相湍流燃烧的大涡模和试验研究，开发了大涡模拟下的两相燃烧模型并进行了验证，开展了多级旋流燃烧室中的预膜式喷嘴的雾化机理研究。研究结果揭示了预膜式喷嘴的雾化机理，获得了针对预膜式喷嘴雾化和燃烧的数值预测方法，为航空发动机低污染燃烧室的设计研发提供了技术支持。