基于喷雾火焰面的湍流喷雾燃烧研究

In gas turbine technology for aircraft industry, key performance metrics are efficiency, fuel flexibility, low emissions and good operational characteristics. These issues often set the overall operational limits of the aircraft or entire plant. To understand the controlling mechanisms associated with the complex multicomponent spray combustion, it is essential to understand the detailed interaction among droplet evaporation, turbulence and combustion chemistry. The objective of the current proposed study is to develop a novel multicomponent spray flamelet model accounting gas cooling, droplet evaporation, ignition and flame extinction. Composite flamelet involving evaporation-dominated, non-premixed, partially premixed and premixed modes can be covered by the present model. The flamelet model will be established in the Flamelet Generated Manifold (FGM) tabulation to be coupled a multi-scale LES/RANS hybrid methodology to investigate the multi-phase multicomponent spray combustion within a confined environment. The proposed study involves using a RP-3 unified surrogate fuel modeling methodology for multicomponent evaporation and combustion. Validated models and proposed turbulent spray combustion studies will highly enhance capabilities in resolving critical combustion instability related issues, such as blowout and re-ignition, associated with new generation gas turbine combustors.

在航空工业领域，制约燃气轮机发展的指标主要为燃烧效率、燃料灵活性、低排放性和运行稳定性。而这些因素都与燃气轮机燃烧室内多组分燃料喷雾燃烧机理密切相关，因此极有必要对液滴蒸发、湍流和燃烧反应动力学的相互作用关系进行深入研究。本课题将通过构建一种模拟气体冷却、液滴蒸发、点火和熄火等多过程的多组分射流喷雾燃烧复合火焰面模型，从而可以有效区分由蒸发主导的燃烧、非预混燃烧、部分预混燃烧和预混燃烧等不同火焰模态。基于FGM方法所构建的复合火焰面模型，能够与多尺度LES/RANS混合模型进行耦合，并使用RP-3综合替代燃料模拟多组分燃料蒸发和燃烧，从而研究受限空间内多相多组分喷雾燃烧过程。本课题所提出的多组分喷雾FGM燃烧模型将有利于提高喷雾燃烧过程的数值仿真精度，相关研究结果也将有助于解决航空发动机真实运行环境下存在的熄火和再点火等问题，为新一代航空发动机的燃烧系统设计提供重要的理论支持工程指导。

在燃气轮机中，多组分燃料的喷雾燃烧实际上包括了预混燃烧、非预混燃烧和部分预混燃烧的不同火焰模态。基于此，本课题提出了一种创新的喷雾火焰面（SFGM）模型，力图在与高精度CFD数值计算耦合下解释多组分液滴蒸发及燃烧的过程。本项工作系统性地首先开发了一种国产航空煤油RP-3的四组分综合替代燃料，其不仅可以模拟实际航空煤油的重要物理性质（例如蒸馏特性）和化学动力学性质，并且可以应用至已提出的两相欧拉-欧拉SFGM建表方法中去。从两相小火焰的详细结构可以分析证明其能够很好地捕捉到蒸发吸热效应、优先蒸发过程以及多模态的火焰结构特征。从SFGM与CFD的耦合结果来看，此方法在应用复杂化学反应机理下的计算速度和效率都得到了长足的提升。通过利用假定概率密度函数的方法来对湍流-蒸发和化学反应之间的相互作用进行描述，从目前已有的结果来看，提出的这一方法在多组分蒸发燃烧的工程应用中有很好的应用价值。