1、燃烧技术的研究方法
为了研究开发出高效率、低能耗、少污染的燃烧装置和技术，采用的研究方法包括物理模拟(或称模拟试验)、工程应用和计算机数值模拟等。
1)物理模拟 也就是通常采用的模型试验研究，一般包括缩型的总体模化、局部模化和分过程模化。其中缩型模化如将大型锅炉的燃烧器和炉膛设计成小型试验件，进行冷态和热态试验，姒此结果推广到大型设备上。如将整台航空燃气轮机置于高空舱里模拟高空状态，录测其性能，则需要庞大、复杂的没备，整个试验耗资巨大。另外，也可采用局部模化，又可分为局部设备的模化，如单个燃烧器模化、单个喷嘴的模化；以及燃烧过程中的子过程模化，如着火过程、冷却结构物性、水流显影和冷吹风的流动特性试验等。物理模拟总是希望以小尺寸、低工作参数(压力、流量、温度等)的模型，最经济地获取有关数据和性能。要使模型和原型中极其复杂的湍流有反应两相流动完全相似，需要维持几个相似准则相等，实际上是难以办到的，只可保留少数假设为重要准则，使实验模型只能定性上与原型相似，甚至产生失真。例如，水流模拟试验主要应满足雷诺相等；喷嘴模化试验应满足喷雾锥角和燃油分布与真实状态相同或相近，另外燃料相同，雾化质量相同等，往往在喷嘴或螺旋喷嘴结构上要进行修改，也难于真实模拟。除了上述物理模拟弊端外，加之现代燃烧室(特别是高性能航空燃气轮机上的)加工费和试验费用十分昂贵，多方案的试验模拟耗资尤其巨大。但是人们还在发挥它的作用，仍被采用。
2)工程应用的研究方法燃烧技术的研究更多的是现场的技术改造、设备更新和新产品设计。这种方法简易且经济，但是当改造和设计方案出现失误时，将会花费更多投入，因此必须在一定技术储备或有所借鉴条件下进行，才稳妥可靠。
3)喷嘴数值模拟 电子数字计算机的出现，使得科学研究和]：程设计计算中的复杂问题有了求解的可能性。20世纪70年代以来，数值模拟研究方法是现代数字计算机、数值分析学、汁算流体力(CFD)数值传热学(NH)、计算燃烧学(CCD)摄新发展和相互结合的结果。这是二程设计中强有力的工具，它使我们有可能预计流体机械、换热器、各种热动力装置的燃烧器(内燃机、燃气轮机、火箭等)和各种丁业炉等系统中的三维、定常或非定常、单相或多相、湍流、有或没有化学反应的参数的分布及其变化，并预测装置的性能等。
这种方法可用于较大和复杂的系统，也可以很快地得到较准确的结论，且通用性强，因此优于物理模拟。但是模拟试验可以提供原始数据，建立数据库，才可保证数值计算的准确性和实用性，因此必须相互结合。
2、喷嘴数值模拟的步骤及其功能
一般数值模拟人致按如下步骤进行：
1)建立基本守恒方程组。它是由流体力学、传热学、燃烧学等基本原理出发，建立包括连续方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍能方程等基本守恒方程组。这些方程所构成的联立非线性偏微方程组，不能用经典的分析法，而只能用数值方法求解。
2)确定边界条件或初始条件，即按给定的几何形状和尺寸，确定计算域，并给定计算域的进口，轴线(或对称面)、各边壁及自由面处的边界条件。对于湍流两相流，则应分别给出气相和喷嘴喷雾颗粒相(固定颗粒或雾滴)相关参数。对于非稳态过程，还需要给出初始条件。
3)选择数学模型或封闭方法。燃烧是包含化学反应的极其复杂的流动过程，它的具体表现千变万化。但是，它们都遵循自然界的一毡基本定律，且质量、组分、动量和能量守恒方程组。而这些方程通常是不封闭的，因此，肯必要采取不同的模化方法(如不同的模型理论)来解决此问题。然而，人们通过深入的理论研究发现燃烧实际上是一个非常复杂的过程。燃烧反应可以通过多种渠道影响湍流特性，如燃烧的放热反应使流场中的各种流体发生不同程度的膨胀而引起密度变化，使湍流结构变化，输运系数也发生变化，反过来，湍流也强烈影响化学反应速率。同样，燃烧器内的宏观流动和湍流脉动与燃料喷射(喷雾喷嘴)．传热及排放等相互影响。为便于模拟真实过程，人为地将燃烧过程分为许多子过程，由物理概念或某些假设出发，提出了具有一定独立性子模型，形成了一个个独立研究领域。这些模型包括单相或多相喷射(喷雾)模型、湍流燃烧模型、辐射传热模型、污染物生成模型等。由于各种燃烧装置使用燃料不同、工作参数不同及工作过程不同，人们必须当今已经提出的种类繁多的喷嘴模型作出选择，使方程组获得要求的准确结果。
4)建立有限差分方程组，用数值法求解偏微分方程组，必须将它们离散化。一般可以采用多种方法，如有限差分方法(有限容积法)、有限元法、有限分析法等。大多数情况下采用物理概念清晰、通用性强、易于为初学者掌握的有限差分法。
5)制定求解方法。目前对单相或两相流已经有各种不同差分方程组求解方法，以及计算技巧，也需要根据具体计算任务作出选择和运用。
6)编写计算程序和调试程序，并将计算结果与实验结果比较，对整个模型和计算方法作出评价、完善，直至获得满意结果。
经过大量算例验证的，具有实用价值的完整计算程序，比一般商业性软件更具有自主产权的价值，可为设计与分析人员提供有力的工具。遗憾的是完全理想的标准软件包还很少，还在不断完善之中。
但足，各种燃烧装置的数值模拟计算在许多方面发挥了很大作用，表现在以下方面：
1)模拟燃烧过程，如点火、熄火、火焰稳定，燃烧室中的气流结构、浓度场、温度场，燃料喷嘴喷射，油珠或煤粒的运动、蒸发、燃烧等物埋化学过程；
2)预估不同条件下的燃烧性能，如压力损失、燃烧效率、出口温度场品质、壁温、排放等；
3)用于燃烧室优化设计，即在方案设计和技术设计阶段用于产品性能评估与定型；
4)指导燃烧室试验，减少试验次数，进行故障模拟与分析，节约产品研制经费和缩短研制周期：
5)对燃烧室内复杂的物理化学现象提供了更深刻的认识，导致新的设计概念。
3、燃料喷射燃烧过程的数值计算
从前面慨述中，可以了解到孤立的燃料喷射或喷雾过程，即无化学反应的过程并不是不可采用数值汁算。对于有反应(即燃烧)的过程，燃料喷射由于受后续过程的相互影响，使得计算结果不真实，不能准确地给出喷嘴所喷射或喷雾的燃料及气流形成的浓度场。更主要的是湍流两相流的基本方程是不封闭的，气相和雾化喷嘴雾滴(或颗粒)相的应力、热流的关联相以及反应源项都是未知的，必须与后续过程的模型方程联解，才可给出其解。
或许正因为如此，在前面文章的喷雾质量检测的论述中，已经指出早期对液体喷嘴喷雾质量检测及按经验关系式预测结果，很难准确反映燃烧室内两柑并存和相互影响的复杂流动。因此发展了相移多普勒粒子分析成(PDPA)，并且采用“动态”喷雾物性设备，即有后续过程(掺混、燃烧等)的全面的特性检测设备。这也可以说是物理模化与数值模拟技术殊途同归，共同为揭示动态喷雾特性提供了更为准确的、深层次的认识。
基于以上原理性分析，本文是以喷嘴技术作为主题，而从前文章及上面的论述不难看出喷嘴技术和燃烧技术(对有反应的过程)是密切相关的，是溶为一体的。又由于不同燃料、不同燃烧装置的数值计算有其共同的部分，也有不同部分，即有特殊的子模型(块)。本文仍然采取以不同燃料(或工质)的喷射和燃烧作为纵线介绍数值计算，与一般数值计算专著有些差异，但是从本手册总体内容安排和工程实际应用考虑，义有它的合理性和可操作性。
本文首先以简单的气体燃料喷射燃烧作为开端，全面地概要介绍气体燃料燃烧过程中数值计算所必须具备的基本方程，以及气惫流动、燃烧、传热及污染物生成模型。在此基础上补充液体燃料破碎、碰壁、蒸发模型，以及两相(多相)流的模型。对于固体燃料(主要是煤粉)又补充了煤中水分蒸发、热解及焦炭燃烧模型。这样可以向渎者展示和提供各种燃料喷嘴喷射燃烧数值计算中需要采用的主要模型。之所以花费大量篇幅介绍各种模型，这是由于它是数值计算的核心部分，也是数值计算中的主要难点和主要步骤。
为此在选择和介绍这些模型时，力求更为先进、完善和实用。由于数值计算技术还处于蓬勃发展之中，许多更为先进的理论和模型尚待完善，在此仅作一般性介绍。至于数值计算方法和具体步骤，以及算例在大量数值计算专著及有关刊物中已有介绍，不再重复。最后用几个算例展示多组分燃料喷射燃烧过程的数值计算在工程应用和燃烧技术研究中功用和价值。此部分是作者完成的部分工作内容，仅为抛砖引玉，以引导读者在喷嘴技术和燃烧技术研究开发中更好地运用这一先进手段，推动和促进喷嘴技术的进步。 |
