《液體火箭內煤油燃燒機理簡化及湍流燃燒建模研究》是依託中國科學院力學研究所，由姚衛擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：液體火箭內煤油燃燒機理簡化及湍流燃燒建模研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：姚衛
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
液體火箭發動機燃燒室中點火故障和燃燒不穩定性是造成發射失敗的重要原因。為了揭示強剪下和劇烈相變等極端條件下的點火、熄滅和燃燒不穩定性產生機制，需要對煤油燃燒化學反應動力學和多物理耦合湍流燃燒過程準確建模。由於適用於高分辨湍流燃燒模擬的煤油簡化燃燒反應機理的欠缺，煤油火箭發動機的模擬研究長期以來處於滯後狀態。火箭發動機燃燒室內複雜湍流化學反應互動作用關係受流動、相變和燃燒等多物理耦合過程共同作用，相應地湍流燃燒建模既要準確描述上述物理過程對湍流燃燒過程的影響，又要兼顧計算效率。本項目研究主要致力解決的問題是：（1）基於多目標函式DRGEPSA(耦合誤差傳遞與敏感性分析的直接關係圖法)方法對煤油詳細反應機理進行簡化以得到小尺寸高保真度簡化機理；（2）發展多相CMC（條件矩封閉）湍流燃燒模型並結合流場局部湍流化學反應互動作用模式進行模型簡化以建立準確高效的數值火箭發動機燃燒室湍流燃燒模型。
結題摘要
建立準確、高效描述燃燒室內複雜碳氫燃料燃燒化學反應和多物理耦合湍流燃燒過程的預測機理/模型是數值火箭發動機燃燒室研製的關鍵前提和基礎。煤油的燃燒化學反應特徵時間與湍流特徵時間尺度相當，因此耦合多步機理、反映局部受湍流影響化學反應狀態，同時又滿足計算代價適合大規模工程計算需求的湍流燃燒模型是火箭發動機燃燒室建模的關鍵。現有研究中小尺寸高保真度煤油簡化機理比較欠缺，且湍流燃燒計算效率有待提高，這是本研究著力解決的制約發動機燃燒室建模的關鍵問題。為了對煤油燃燒化學反應動力學和多物理耦合湍流燃燒過程準確建模，本項目研究主要致力解決的兩個基礎科學問題是：（1）基於多目標函式最佳化方法對煤油詳細反應機理進行簡化得到了目前國際上尺寸最小（19組分53步基元反應）同時在三個模擬層次均具有高保真度的骨架機理；（2）在CMC（條件矩封閉）湍流燃燒模型的基礎上，基於分區湍流燃燒模擬的概念發展了動態分區火焰面模型（DZFM），實現了對流場局部湍流化學反應互動的準確表征，同時整體上極大提升了湍流燃燒模擬的的計算效率，為各類發動機燃燒室的準確高效建模提供了獨特的解決思路。研究中基於所發展的煤油骨架機理和湍流燃燒模型，在國際上首次開展了億級格線規模的煤油超聲速燃燒大渦模擬研究，獲得了美國航空航天學會（AIAA）最佳論文獎。對以煤油為代表的碳氫燃料湍流燃燒過程進行了深入的分析，揭示了真實氣體效應、可壓縮效應和對稱性缺失等對流動和燃燒特性的影響。研究還基於自主模型發展了發動機燃燒模擬計算平台，對實際工程問題的數值最佳化提出了基於自引射原理的兩火箭發動機旋流噴嘴等專利。
