构建基于CFD-PDF-PBE耦合的航空发动机湍流燃烧碳烟详细生成模型

Soot emitted from aero-engine combustors suspends in the atmosphere, leading to health and environment harzard. Existing soot formation models are usually empirical or semi-empirical, which cannot make detailed and precise prediction on soot kinetic process, such as nucleation, coagulation, surface growth and oxidation. Aero-engine combustors work under extreme high temperature and pressure, facing strong turbulent flow, and soot formation researches within combustors is a gap waiting to be filled. This project intends to compute the reaction potential of fuel molecules and figure out the reaction paths under different working conditions with quantum chemistry and electrical structure theory. Furthermore, establishing detailed soot formation mechanism considering steric effects with population balance equation. Coupling PBE with N-S equations and engage probability density function to solve closure problem, simulating soot formation process within real combustors. The soot formation model developed in this project can make detailed prediction on particle size distribution under extreme combustor operation conditions, guiding soot emission reduction from the source.

航空发动机排放的碳烟颗粒悬浮于空中，对人体和环境危害较大。现有的碳烟生成模型多采用经验或半经验模型，对碳烟生成过程中的成核、凝并、表面生长、氧化等过程的研究尚不深入。此外，航空发动机工作于强烈湍流、高温、高压极端条件下，目前此领域碳烟数值模拟研究尚未成熟。本项目拟采用量子化学和电子结构理论计算燃料分子反应势能图，确定不同工况下其反应路径，构建燃料详细化学反应机理；利用颗粒群平衡方程模拟颗粒动力学过程，与燃油详细化学反应机理耦合构建考虑空间位阻效应的碳烟生成详细模型；将碳烟生成模型与流体力学方程耦合，模拟高温高压高速下碳烟颗粒生成详细过程，获得中间产物浓度、碳烟颗粒粒径分布的时空变化。本项目建立的模型能对高温高压高速下碳烟颗粒生成过程进行详细研究，能够指导从源头控制碳烟颗粒污染物排放。

航空发动机排放的碳烟颗粒悬浮于空中，对人体和环境、气候影响较大。目前强烈湍流、高温、高压极端条件的碳烟生成详细数值模拟研究尚不成熟，通常采用经验或半经验模型。本项目开展“构建基于CFD-PDF-PBE 耦合的航空发动机湍流燃烧碳烟详细生成模型”研究，通过构建正庚烷、异辛烷、甲苯的模型燃料整体机理，模拟同轴二维火焰中温度分布、化学组分分布，建立考虑多种PAH分子和空间位阻效应的碳烟成核与表面凝聚模型、表面化学反应生长、氧化等模型，采用分区法求解颗粒群平衡方程，得到二维火焰中使用碳烟详细生成模型的碳烟颗粒空间分布并与消光法所得实验结果进行比对。此外本项目还探究了燃料管预热对碳烟生成路径和分布的影响。结果表明考虑多种成核PAH分子和燃料管预热后，由成核过程主导的火焰轴线处碳烟生成得到加强，但成核消耗了较多PAH分子，火焰翼区的表面凝结增长受到了抑制，碳烟颗粒粒径和质量有所下降。研究成果加强了学界对碳烟颗粒从气相到固相相变成核过程的理解，对从燃烧源头控制碳烟生成提供理论指导。在航空旋流燃烧室燃用航空煤油、生物质航空替代燃料，探究燃料组分、工况对颗粒物、半挥发性有机物等的影响，为发动机中的湍流燃烧提供验证数据，利用二维GC-MS方法首次揭示了航空发动机中半可挥发性颗粒物的详细化学组分，并与由电迁移率颗粒粒径谱仪测得的不同模态颗粒的粒径谱数据结合，发现了颗粒组分与粒径模态的关联，为发动机颗粒颗粒排放模型的建立提供指导云和卷云的机理研究提供重要依据。通过电子透射电镜获得了航空颗粒的微观形貌和晶形结构，为颗粒从气态前驱体向固态初生颗粒转变机理提供指导。针对溶液非理想性带来的复杂非定常蒸发及高温下溶液分层的问题，建立考虑活度系数的蒸发模型，揭示混合溶液组分相分离机制，建立该溶液在纳米颗粒上的两阶段凝结模型，并指导研制出宽温PM2.5数目检测仪，将纳米颗粒数目检测从常温拓展到高温。