发动机燃烧室环境中燃烧对湍流的影响机理及模型研究

For the key requirements of “fundamental research on turbulent combustion in engines”, a major research project of the National Natural Science Foundation of China, the present project aims to analyze and discuss the impact mechanisms of combustion on turbulence in aero-engine combustion environment and thereby to improve turbulence models and combustion models by developing high-fidelity numerical methods as well as utilizing supplementary experimental measurements. Specifically, an efficient high-resolution direct numerical simulation method with adaptive mesh refinement and adaptive chemical reaction mechanisms will be developed and used to investigate the impact mechanisms of single-phase combustions in different regimes, i.e. premixed, non-premixed and partially-premixed flames, on turbulence, and also to reveal the influences of spray atomization and droplet motion as well as droplet evaporation and combustion on turbulent flows in two-phase spray combustion. Furthermore, new sub-grid model for turbulent flow considering the influence of combustion and adaptive multimodal combustion model will also be established based on the deeper understanding of the intrinsic physical mechanisms and relevant DNS database. These models will be integrated into an LES numerical experimental plat to provide efficient and useful technical supports, after experimental verifications and validations, for the design and development of advanced aero-engine combustors.

针对国家自然科学基金重大研究计划“面向发动机的湍流燃烧基础研究”的实际需求，发展高精度的直接数值模拟方法，辅以实验测量，对发动机燃烧室环境中燃烧对湍流的影响机理和模型进行系统研究，包括发展高效、高精度的基于动态自适应网格和动态自适应化学反应机理的湍流燃烧直接数值模拟方法，开展定容燃烧弹和不同燃烧模态射流火焰测量，揭示单相预混燃烧、扩散燃烧和部分预混燃烧火焰对湍流的影响机理，阐明液雾两相燃烧中液体雾化运动和蒸发燃烧对湍流的影响规律，建立考虑燃烧影响的各向异性湍流流动亚网格新模型以及多火焰模态自适应湍流燃烧新模型，发展发动机燃烧室的大涡模拟数值试验平台，并与实验测量数据进行对比验证，为先进发动机燃烧室的设计和研发提供技术支撑。

航空发动机与燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，是保证国防与能源安全、保持工业竞争力的核心战略产业。无论是航空发动机还是燃气轮机，其燃烧室内的燃烧过程绝大部分为湍流燃烧，存在着湍流流动与化学反应过程强烈的相互作用。湍流对燃烧的影响机理及相关模型已被广泛研究，然而关于燃烧影响湍流的研究工作相对较少，使得人们缺乏对湍流与火焰相互作用的全面认识。为此，本项目首先发展了高精度的直接数值模拟方法。对于气相燃烧，发展了高精度有限差分方法，对于气液两相燃烧，发展了结构化动态自适应网格技术，通过改进的Level Set方法解析了复杂相界面拓扑结构，实现了欧拉-拉格朗日框架转换以追踪二次雾化液滴，建立了改进的界面解析蒸发模型，耦合了化学反应机理，实现了气液两相燃烧的全尺度直接数值模拟。其次，基于典型航空发动机工况，构建了模型燃烧室，并采用直接数值模拟方法研究了预混、非预混和部分预混燃烧室内的湍流燃烧过程，揭示了不同流动参数和火焰模态下气相燃烧对湍流的影响机理，发现不同模态燃烧火焰对湍流具有不同的影响；针对燃烧室内气液两相湍流的特点，采用实验测量与直接数值模拟相结合的手段，阐明了液体雾化蒸发和燃烧对湍流的影响机理；针对燃烧室内湍流燃烧的多模态特点和燃烧造成的各向异性，创新性发展了通用直接矩湍流燃烧模型和考虑燃烧效应的亚网格应力新模型，可以更好地模拟湍流流动和燃烧过程；建立了发动机燃烧室两相燃烧大涡模拟数值试验平台，并与实验测量数据进行了对比验证，为先进发动机燃烧室的设计提供了技术支撑。