燃烧室液雾湍流边界层回火机制及模型研究

The lean premixed prevaporised (LPP) combustion is the priority in the developing low emissions technologies around the world. However, flashback becomes one of the bottle-neck issues which limit the development of this technology. So the prediction model and control method of flashback need to be developed. Based on the characteristics of premixed prevaporised spray of cross-flow injection in the aero-engine low emissions combustor, the flashback in turbulent boundary layer of confined spray two-phase flow will be researched. Through building up the quantitative relationship between the flow velocity gradient in turbulent boundary layer and the flame stretch rate, the model of flashback in turbulent boundary layer of spray flow could be formulated on the base of the principle of stretched extinction. Then the data of flow velocity and fuel concentration distribution from experiment and numerical simulation on a 2D heterogeneous flow reactor, will be used to validate and modify the flashback model and develop the methodology of prediction and control for the flashback. The research results would be applied to predict and evaluate the flashback risk in aero-engine combustor, and develop the low emissions combustor design methods for civil aero-engines. Additionally, this study could use the fruits of fundamental combustion research to further support the practical engineering applications.

贫油预混预蒸发（LPP）燃烧是现阶段国内外优先发展的低排放技术，但回火成为限制该燃烧技术进一步发展的瓶颈问题之一，需要发展相应的回火预测模型和规避方法。本项目基于航空发动机低排放燃烧室中横向喷射液雾预混预蒸发特征，对受限空间内液雾两相湍流边界层回火问题开展研究，建立湍流边界层内的流动速度梯度和火焰拉伸率之间的定量关系，在拉伸熄火原理基础上构建液雾湍流边界层回火模型。并采用二元非均相流动反应器中的回火临界条件实验和数值模拟获得的流动速度和燃料浓度分布数据，对回火模型进行验证和改进，形成回火预测及规避设计方法。研究成果可用于预测和评估航空发动机燃烧室回火风险，支持民用航空发动机低排放燃烧室设计方法，使燃烧基础研究成果更好地支撑实际工程应用。

贫油预混预蒸发（LPP）燃烧模式，应用于燃气涡轮发动机中能够大幅降低污染排放，但在燃料预混预蒸发过程中面临回火的风险，特别是在增压比不断提高的民用涡扇航空发动机上面临更大的可靠性问题。这类回火发生在非均相的连续流动受限空间内，涵盖燃油喷射、破碎、雾化、蒸发、扩散、化学反应和旋涡流动等复杂物理和化学过程，受速度分布、火焰传播速度、火焰拉伸率等基础湍流燃烧特性的控制。针对航空发动机燃烧室中的回火现象，基于边界层拉伸熄火与回火之间的关联，建立起熄火拉伸率（燃烧性质）、火焰拉伸率（火焰状态）以及流动速度梯度（湍流特征）之间的关系，是构建液雾两相流动湍流边界层回火模型需要解决的关键科学问题。利用二元流动反应器湍流边界层回火模型解决航发燃烧室回火问题，模拟横向喷射液雾预混预蒸发特征，开展液雾湍流回火机制分析及模型构建、液雾湍流回火临界条件实验以及数值模拟分析等研究，获取二元流动反应器湍流边界层流动速度分布特征，探究了流场中流动自模区的边界。利用截面上不同展向位置的速度分布数据，重构了该截面上的速度型分布曲面。掌握流动速度、速度梯度、脉动速度及湍流强度等流动分布特征，从而建立了边界层流动速度梯度与火焰拉伸率的定量关系以及基于火焰拉伸率平衡的液雾湍流边界层回火模型。研究成果可用于预测和评估航空发动机燃烧室回火风险，支持民用航空发动机低排放燃烧室设计方法，使燃烧基础研究成果更好地支撑实际工程应用。