燃料液滴高速对流燃烧相关理化现象及其影响机理研究

The foundation of aviation turbine engines combustion, is the turbulent diffusion combustion of high carbon number hydrocarbon fuel droplet in high temperature, high speed airflow. The combustion is under the coupling affection of multi-physical fields and the physicochemical processes of droplet deformation, breakup, evaporation, vapor diffusion and turbulent combustion. However, the mechanisms of fuel droplet turbulent combustion in high-temperature and high-speed airflow field have not been well studied.. In this study, a wind tunnel is utilized to create the counter flow against droplet; the flow has a similar temperature and velocity condition with the accompanying relative movement between the injected fuel droplet and the surrounding air in turbine engine combustion chamber. In the flow field, the physicochemical phenomenon and the affecting mechanisms of sequential processes, including droplet aerodynamic breakup, surface evaporation, vapor diffusion, diffusive combustion, droplet group combustion, etc., will be systematically investigated, and the quantitative relationships between the characteristic parameters of each individual phenomenon and the flow parameters will be obtained, to clarify the coupling affecting mechanisms of flow parameters and fuel physical property parameters on the droplet turbulent combustion in the conditions of the aviation turbine engine combustion chamber.. The study not only enriches the fundamental combustion theories of gas-liquid two-phase flow, deepen the understanding on the combustion instability mechanism of aviation turbine engine, but also lays a theoretical foundation for the organization and intelligent control of the high-efficiency combustion in aviation turbine engine.

航空涡轮发动机燃烧的基础，是大分子碳氢燃料液滴在高温高速气液两相流中，多物理场量与液滴变形、破碎、蒸发、传质、湍流燃烧等多物理、化学过程耦合作用下的湍流扩散燃烧。现阶段对于燃料液滴在高温高速气流中的湍流燃烧机理研究还十分欠缺。本申请利用微型风洞内形成高温高速流场，模拟航空发动机燃烧室内燃油喷射时液滴与空气相对运动的速度和温度条件，系统地对航空煤油及C10-C16碳氢单质燃料液滴在高温高速气流中燃烧时存在的气动变形、表面蒸发、蒸气扩散、扩散燃烧、液滴群燃烧等各连续理化过程进行深入、量化研究，探索各子阶段的理化现象特征规律及其主要影响因素，明确理化现象特征参数与环境参数之间的函数关系。阐明航空发动机燃烧室内温度和流动等极端条件下，流速、湍流度和温度等场量参数与燃料物性对燃料液滴湍流燃烧耦合作用的机理。研究对丰富气液两相流基础燃烧理论和认识航空发动机不稳定燃烧机制均具有重要的理论意义。

本申请利用微型风洞模拟航空煤油旋流喷射时燃油喷雾与空气的相互作用，研究强对流、强湍流气流中燃料液滴的破碎、蒸发和燃烧等过程的主要控制因素以及多物理化学过程的耦合作用机理。工作内容可概括为以下五个方面：（1）燃料液滴在高速气流中的破碎与蒸发耦合机理研究；（2）流动对液滴表面传质传热过程的促进机理研究；（3）尾流区燃料蒸气质扩散特性研究；（4）尾流区燃料蒸气湍流燃烧规律研究和（5）液滴阵列的湍流燃烧特性研究等。. 通过对燃料液滴在室温及高温下的气动破碎与蒸发特性研究，掌握了燃料液滴的气动破碎与蒸发之间的耦合作用规律；阐明了气流运动对液滴表面变形和蒸发的促进机理；明确了高速湍流对燃料蒸气扩散过程的影响机制；明确了单个液滴着火、熄火和火焰特征参数与流动和燃料物性的量化关系，以及火焰的存在对液滴变形和蒸发过程的影响规律；获得液滴群燃烧特征与气流、燃料物性参数之间的耦合关系。通过系统地对燃料液滴在高速气流中燃烧时存在的气动变形、表面蒸发、蒸气扩散、扩散燃烧、液滴群燃烧等物理化学过程深入研究，最终阐明了流动、湍流度和温度等场量参数与燃料物性对燃料液滴湍流燃烧耦合作用的机理，丰富气液两相流动燃烧基础科学理论，为航空发动机高效燃烧的组织和智能控制奠定理论基础。. 研究首次发现了高强度共振声场中，液滴穿过共振节点时，在高温火焰的作用下，发生的边缘喷射雾化现象。该现象属于高强声场中的燃烧物理现象，具有强度高、雾化好、历时短、脉冲性等与燃烧不稳定密切相关的典型特征，且脉冲喷射频率与声场机理频率密切相关，为发动机不稳定燃烧全链条过程中一个不可或缺的重要环节，对解决液体燃料发动机燃烧不稳定问题意义重大，具有极其重要的理论意义与实用价值。除此之外，还深入研究了液滴与液膜融合与分离时界面上微观物理机制，为融合和分离时的各物理阶段建立了简化模型，建立了无量纲控制方程，为深入理解液滴的分离与融合机理提供了有益补充。