具有蒸发喷雾过程的大涡数值模拟

单 聪 慧， 徐 宝 鹏

( 大连理工大学 能源与动力学院, 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

燃油的喷雾过程(喷射、雾化和蒸发)及其与空气的混合过程对燃油发动机(内燃机和燃气轮机)的燃烧过程和排放有着至关重要的影响．喷雾过程决定燃料在燃烧室内的分布，进而控制燃烧特性，比如点火延迟、自燃、放热率和污染物质形成等．发动机氮氧化物NOx的排放是目前主要控制的污染物，其生成量与火焰温度成指数增加关系，喷雾粒子的不均匀分布会引起燃料当量比分布不均匀，在燃烧室内部产生局部“热点”，生成大量NOx．为此，燃油喷雾过程的研究对燃烧室设计具有十分重要的意义[1-2]．

喷雾过程的数值模拟是一项复杂的任务．喷雾过程是一种复杂的两相流问题，喷雾粒子通过与气体的动量交换诱导出具有大尺度湍流涡的湍流空气射流，由于两相流的双向耦合作用，空气射流会影响喷雾粒子的空间分布．此外，喷雾由尺寸各异的大量喷雾粒子组成，喷雾粒子的破碎、碰撞和蒸发过程进一步加剧了问题的复杂性．

文献中喷雾过程的数值模拟通常采用雷诺时间平均(RANS)方法[3-5]．Subramaniam等[5]用最为流行的内燃机数值模拟KIVA-3V计算程序，利用RANS方法对无蒸发喷雾过程进行了详细的数值模拟，研究发现利用KIVA-3V中的数值模型无法得到与计算网格分辨率无关的喷雾贯穿距离．由于RANS方法将空气射流中的大尺度湍流涡从控制方程中平均掉，利用湍流模型间接模拟大尺度湍流涡……