燃烧室湍流-燃烧相互作用研究

Combustion phenomena such as ignition, flame extinction, flame instability, etc. in combustors, are primarily involving turbulence. Research on the interaction of turbulence and combustion is essential for the development of turbulent mixing and combustion model and improvement of the accuracy of prediction of reacting multiphase flows in practical gas-turbine combustion chambers. Large-eddy simulation (LES) is a promising tools for turbulent combustion simulations. The project attempt to conduct advanced models for molecular mixing occurs dominantly at the smallest scales, reaction mixing, liquid fuel atomization, droplet evaporation and adaptive LES algorithm. The research will establish theory and model for coupling between reaction and molecular diffusion with consider the turbulence anisotropic and develop fidelity LES turbulent combustion codes. Experiments will be performed for the measurements of the transient variants and higher order statistics moment to account for the systematic validation and verification study of the LES to assess the predictive capability. The combustion characteristics in a sudden expansion combustion chamber will be investigated by LES and the experiments.

燃烧室燃烧过程中涉及到的点火、熄火、燃烧不稳定性等现象本质上与湍流相关，研究燃烧室湍流-燃烧相互作用，对于发展湍流混合和燃烧模型，提高燃烧室反应流场预测精度有重要作用。用大涡模拟方法研究湍流燃烧问题是发展趋势。本项目对小尺度分子混合、小尺度反应混合和精确的雾化蒸发模型和自适应大涡模拟数值方法进行研究，发展局部各向异性火焰区中反应与小尺度湍流相互作用理论和模型以及高精度湍流燃烧计算程序，同时对流场的瞬态量和高阶统计量进行测量，验证数值程序的可靠性，用数值模拟和实验相结合的方法对突扩燃烧室的燃烧特性进行研究。

燃烧室是燃气轮机/航空发动机的三大部件之一，研究燃烧室湍流-燃烧相互作用，对于发展湍流混合和燃烧模型，提高燃烧室反应流场预测精度有重要作用。. 本项目研究燃烧室中的小尺度流动混合与燃烧模型，将发展的小尺度模型用于LES程序中，发展基于详细化学反应机理的高精度、快速反应计算方法和LES/DNS计算方法，并通过实验验证计算结果的准确性。. 通过模型研究，发展了小尺度LES计算模型。在考虑小尺度分子混合和反应混合基础上，基于二阶矩模型，发展了用于LES计算的改进二阶矩模型，发展了用于部分预混火焰的加厚火焰面模型，对于液雾燃烧，发展了LES雾化蒸发模型，并用于气液两相大涡模拟中。通过在LES中引入详细化学反应机理，利用Co-DAC在线机理简化，实现了反应机理的快速计算，使总体LES计算速度提高了33%。为在保持计算精度的前提下进一步提高计算速度，发展了基于Krylov子空间的指数积分法，该方法与传统的DVODE方法相比，在PaSR计算中，达到了2倍的加速度。此外，研究开发了高精度直接数值模拟DNS计算程序，采用5阶WENO-LF格式离散对流项，六阶中心差分离散扩散项，附加显-隐格式处理详细反应引起的刚性问题，研发了可以模拟层流、湍流火焰传播计算程序，并实现了网格自适应细分功能，大大提高了计算效率。为进一步发展全尺度范围和全雷诺数范围适用的高精度计算方法奠定了基础。发展了内外双旋贫直喷燃烧室，并进行了流场PIV测量，获得的流场数据将用于LES数值模拟的对比。. 通过上述工作和不断努力，逐步实现实际燃烧室的湍流燃烧的LES计算，实现对燃烧室点火、熄火、燃烧不稳定性和污染排放等燃烧特性数值模拟。