发动机燃烧室内气体-液滴两相流问题求解的SDPH-FVM耦合方法研究

Gas-droplet two-phase flow is an important phenomenon in the combustion chamber of aeroengine and liquid rocket engine. It has an important influence on combustion efficiency, pollutant emission and combustion stability of engine. There are many difficulties in calculating the gas-droplet two-phase flow, such as the large number of droplets, the change of droplets’ size, and the mass transfer between gas and liquid phases. Therefore, on the basis of the SDPH-FVM coupling method proposed earlier, this project introduces the continuous form of particle number density to derive the macroscopic equation describing the collision coalescence and collision breakup between two droplets and shear breakup of a single drop. A new SDPH method for calculating the droplet size variation is established through combining with the direct moment integration method and verified by a basic test. Then the relationship between mass change and SDPH particle attributes is built and gas species are calculated with species transport equations. The SDPH-FVM coupling method is finally developed considering complex chemical reactions of droplets and gas phase and collision and breakup of droplets through calculating the mass and heat transfer. It is applied to simulate the typical combustion problem in engine chamber to verify the practicability and effectiveness of the method. The new method is not only suitable for the flow problem in engine combustion chamber, but also has practical value for two-phase flow problems involving droplets and bubbles in other fields.

气体-液滴两相流作为航空发动机及液体火箭发动机燃烧室中重要的一类现象，其对发动机的燃烧效率、污染物的排放以及发动机的燃烧稳定性具有重要的影响。气体-液滴两相流具有液滴数量大、粒径发生改变、气液相间质量传递等计算难点。为此，本项目在前期提出的SDPH-FVM耦合方法的基础上，引入粒数密度的连续形式，推导获得描述液滴间碰撞聚合、碰撞破碎和单液滴剪切破碎行为的宏观方程式；联合直接矩积分方法，建立对液滴粒径改变过程求解的SDPH新方法，并进行基础算例验证；通过建立液滴质量变化与SDPH粒子属性间关系，结合气相组分输运计算和相间传质传热耦合计算，最终形成一套可完整求解液滴与气相复杂化学反应及含液滴碰撞和破碎过程的SDPH-FVM耦合新方法，并应用于发动机燃烧室典型过程数值模拟，验证方法的实用性和有效性。新方法不仅适用于发动机燃烧室内流场计算，对于其他领域涉及液滴和气泡的两相流动问题同样具有实用价值。

气体-液滴两相流作为航空发动机及液体火箭发动机燃烧室中重要的一类现象，其对发动机的燃烧效率、污染物的排放以及发动机的燃烧稳定性具有重要的影响。本项目所开展的主要研究内容包括：液滴间碰撞聚合与碰撞破碎过程模拟的 SDPH 数值方法研究；考虑液滴剪切破碎及相间传质传热耦合计算的SDPH-FVM耦合方法研究；欧拉界面追踪技术与拉格朗日粒子跟踪技术相耦合的液滴形成全过程数值模拟方法研究；颗粒介质全相态理论研究；模拟颗粒介质全相态的SDPH-DEM耦合方法研究等。.根据项目申请书中规定要求，已全部完成项目计划研究内容。取得的重要结果包括：.（1）建立了描述液滴间碰撞聚合和碰撞破碎等微观行为及粒径变化的宏观方程式（群体平衡方程），提出了完整求解液滴动力学行为的SDPH数值模拟新方法，并成功应用于航空发动机燃油雾化过程机理研究以及燃烧室内气体-液滴两相流动特性的数值模拟中。.（2）建立了液滴剪切破碎和蒸发后粒径变化与SDPH粒子属性变化的对应关系，实现了SDPH-FVM耦合方法对液滴复杂物理化学反应的有效计算。.（3）提出了一种欧拉界面追踪技术与拉格朗日粒子跟踪技术相耦合的液滴形成全过程数值模拟新方法，并成功应用于航空发动机同轴旋转液膜雾化全过程数值模拟。.（4）建立了描述浓密颗粒介质的弹-粘-塑性本构理论，实现了从颗粒准静态到颗粒流动态之间的转变，定义了颗粒介质全相态的概念并建立了描述全相态的弹-粘-塑-动理学-质点动力学全耦合理论，为实现建立颗粒在不同状态下的统一宏观预测理论这一物理学领域的重要目标提供了有效路径。.依托本项目，共发表学术论文10篇（SCI检索5篇，EI检索3篇），申请和授权发明专利9项（3项国际发明专利），登记软件著作权5项。本项目成果不仅适用于发动机燃烧室内流场计算，对于其他领域涉及液滴和气泡的两相流动问题同样具有实用价值。