可压缩气液两相反应流的高精度数值模拟研究

Compressible gas-liquid two phase turbulent combustion is a multi-scale and multi-physics phenomenon, involved with compressible turbulence, shock, flame, as well as droplet evaporation. The coupling mechanism among these physical processes is still far away from well-known. In the present project, based on the high resolution direct numerical simulation (DNS) and large eddy simulation (LES) theory, a massively parallel numerical simulation platform will be developed to systematically investigate the compressible gas-liquid two phase reacting flows, as well as the involved turbulence-shock-flame-evaporation multi-physics coupling mechanisms. DNS of droplets dispersion, evaporation, combustion in the compressible gas flows, as well as the interactions with unsteady shock waves, will be conducted to reveal the underlying coupling mechanisms in compressible two phase reacting flows. Turbulent combustion models will be validated and improved based on the DNS data base. And then, the developed combustion models will be coupled to the LES simulation code to study the supersonic combustion of two phase mixing layer for the posterior validation of the combustion models. This study is theoretically favoring for the numerical simulation of the large scale engine combustors. Also, the results can be referred for the design and optimization of the industrial combustion applications.

可压缩气液两相湍流燃烧是一个涉及到可压缩湍流、激波、火焰及液滴蒸发的多尺度、多物理复杂问题，其中各物理过程之间的耦合作用机理仍远未被人们所了解。本项目基于高精度直接数值模拟和大涡模拟方法，发展适合大规模并行运算的数值模拟计算平台，对可压缩气液两相反应流及其中涉及的湍流-激波-火焰-液滴蒸发间多物理耦合的基本问题进行深入和系统地研究。分别对可压缩湍流中液滴弥散、蒸发和燃烧及其与非定常激波相互作用问题进行直接数值模拟研究，揭示可压缩气液两相反应流中各物理过程的耦合作用机理。并基于获得的直接数值模拟数据库，发展和改进可压缩两相湍流燃烧模型。对超声速气液两相混合层燃烧进行大涡模拟研究，验证发展的模型，为大尺度的发动机燃烧室的数值模拟研究提供理论依据，为工程应用中的燃烧装置的设计和优化提供参考。

超声速气液两相湍流燃烧是一个涉及到可压缩湍流、激波、火焰及液滴蒸发耦合作用的多尺度、多物理复杂问题，对其中各物理过程之间的耦合作用机理进行深入研究具有十分重要的科学意义，对研制高效的超燃冲压发动机技术具有十分重要的工程应用价值。.在国家自然科学基金的资助下，本项目针对超燃冲压发动机中存在的可压缩两相湍流反应流问题，发展了适合大规模并行运算的可压缩两相湍流流动和燃烧的高精度数值模拟平台，集中对可压缩两相各向同性湍流、可压缩两相混合层与超声速气液两相混合层燃烧进行研究，以揭示可压缩湍流-液滴/颗粒-火焰间的相互作用机理。取得的重要研究结果概述如下：.对可压缩各向同性湍流中颗粒与湍流相互作用进行了系统的研究，通过分析不同算例中的颗粒运动，以及湍动能、涡量和速度散度的输运方程，特别是其中的流体颗粒耦合项，对湍流调制的潜在物理机制进行了深入研究。结果显示颗粒倾向于富集在高密度、低涡量的区域，并且St0=1.0的颗粒优先富集最显著。流场的可压缩性都被颗粒的加入所抑制，流体的湍动能、旋转运动和可压缩性的调制都与颗粒的惯性和分布有关，而可压缩性的抑制则归因于颗粒的惯性与优先富集。 .对三维空间发展可压缩混合层中颗粒弥散和湍流调制进行了系统的研究。混合层的对流马赫数为1.2，构建了两相空间发展可压缩混合层的自相似方程和雷诺应力输运方程，以揭示颗粒和可压缩混合层间的复杂作用机理。研究表明可压缩混合层同时存在多种涡结构和非定常微激波结构，并且呈现出显著的不对称性和各向异性。颗粒倾向于富集在混合层中涡结构周围高密度、低涡量和高应变率的区域，以及混合层外微激波的后方的高密度区域，高、低速两层流体间的颗粒混合也向低速侧偏斜。.基于内嵌边界方法与高精度激波捕捉格式WENO格式相结合的算法，发展了超声速湍流与颗粒相互作用的模拟平台，同时对超声速湍流边界层中气液两相运动规律进行了研究。.最后，对三维空间发展超声速混合层中的气液两相燃烧进行了模拟，研究了混合层中燃料液滴的着火和火焰分布，以及燃烧对涡结构、微激波、液滴弥散、剪切层厚度和湍流脉动等的影响，揭示可压缩湍流-液滴蒸发-火焰间的相互作用机理，并对超声速两相湍流燃烧模型进行了比较验证。