《可壓縮氣液兩相反應流的高精度數值模擬研究》是依託浙江大學，由金台擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：可壓縮氣液兩相反應流的高精度數值模擬研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：金台
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可壓縮氣液兩相湍流燃燒是一個涉及到可壓縮湍流、激波、火焰及液滴蒸發的多尺度、多物理複雜問題，其中各物理過程之間的耦合作用機理仍遠未被人們所了解。本項目基於高精度直接數值模擬和大渦模擬方法，發展適合大規模並行運算的數值模擬計算平台，對可壓縮氣液兩相反應流及其中涉及的湍流-激波-火焰-液滴蒸發間多物理耦合的基本問題進行深入和系統地研究。分別對可壓縮湍流中液滴彌散、蒸發和燃燒及其與非定常激波相互作用問題進行直接數值模擬研究，揭示可壓縮氣液兩相反應流中各物理過程的耦合作用機理。並基於獲得的直接數值模擬資料庫，發展和改進可壓縮兩相湍流燃燒模型。對超聲速氣液兩相混合層燃燒進行大渦模擬研究，驗證發展的模型，為大尺度的發動機燃燒室的數值模擬研究提供理論依據，為工程套用中的燃燒裝置的設計和最佳化提供參考。
結題摘要
超聲速氣液兩相湍流燃燒是一個涉及到可壓縮湍流、激波、火焰及液滴蒸發耦合作用的多尺度、多物理複雜問題，對其中各物理過程之間的耦合作用機理進行深入研究具有十分重要的科學意義，對研製高效的超燃衝壓發動機技術具有十分重要的工程套用價值。在國家自然科學基金的資助下，本項目針對超燃衝壓發動機中存在的可壓縮兩相湍流反應流問題，發展了適合大規模並行運算的可壓縮兩相湍流流動和燃燒的高精度數值模擬平台，集中對可壓縮兩相各向同性湍流、可壓縮兩相混合層與超聲速氣液兩相混合層燃燒進行研究，以揭示可壓縮湍流-液滴/顆粒-火焰間的相互作用機理。取得的重要研究結果概述如下：對可壓縮各向同性湍流中顆粒與湍流相互作用進行了系統的研究，通過分析不同算例中的顆粒運動，以及湍動能、渦量和速度散度的輸運方程，特別是其中的流體顆粒耦合項，對湍流調製的潛在物理機制進行了深入研究。結果顯示顆粒傾向於富集在高密度、低渦量的區域，並且St0=1.0的顆粒優先富集最顯著。流場的可壓縮性都被顆粒的加入所抑制，流體的湍動能、旋轉運動和可壓縮性的調製都與顆粒的慣性和分布有關，而可壓縮性的抑制則歸因於顆粒的慣性與優先富集。 對三維空間發展可壓縮混合層中顆粒彌散和湍流調製進行了系統的研究。混合層的對流馬赫數為1.2，構建了兩相空間發展可壓縮混合層的自相似方程和雷諾應力輸運方程，以揭示顆粒和可壓縮混合層間的複雜作用機理。研究表明可壓縮混合層同時存在多種渦結構和非定常微激波結構，並且呈現出顯著的不對稱性和各向異性。顆粒傾向於富集在混合層中渦結構周圍高密度、低渦量和高應變率的區域，以及混合層外微激波的後方的高密度區域，高、低速兩層流體間的顆粒混合也向低速側偏斜。基於內嵌邊界方法與高精度激波捕捉格式WENO格式相結合的算法，發展了超聲速湍流與顆粒相互作用的模擬平台，同時對超聲速湍流邊界層中氣液兩相運動規律進行了研究。最後，對三維空間發展超聲速混合層中的氣液兩相燃燒進行了模擬，研究了混合層中燃料液滴的著火和火焰分布，以及燃燒對渦結構、微激波、液滴彌散、剪下層厚度和湍流脈動等的影響，揭示可壓縮湍流-液滴蒸發-火焰間的相互作用機理，並對超聲速兩相湍流燃燒模型進行了比較驗證。
