近日，国家自然科学基金委公布了2017年度国家自然科学基金 “面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划申请项目评审结果，密西根学院陈谦斌教授主持的“基于喷雾火焰面的湍流喷雾燃烧研究”获立项资助。
燃烧室头部燃料喷雾蒸发、湍流和化学反应相互作用的关键区域
在航空工业领域，制约燃气轮机发展的指标主要为燃烧效率、燃料灵活性、低排放性和运行稳定性，而这些因素都与燃气轮机燃烧室内多组分燃料喷雾燃烧机理密切相关，因此极有必要对液滴蒸发、湍流和燃烧反应动力学的相互作用关系进行深入研究。最近的研究发现，油滴内各组分不同的蒸发率(preferential evaporation)和油气的非均匀混合是产生火焰不稳定性的主要原因，而燃烧不稳定性，可能导致发动机振动加剧，热负荷增加，使发动机部件遭到破坏，这是目前航空发动机发展面临的最大挑战之一。近年来考虑液态燃料蒸发的喷雾燃烧模型虽然已有所发展，但目前国内外尚无两相多组分蒸发喷雾燃烧的数值研究。
陈谦斌的项目将基于FGM（Flamelet Generated Manifolds）方法构建一种模拟气体冷却、液滴蒸发、点火和熄火等多过程的多组分射流喷雾燃烧复合火焰面模型，并利用CFD方法对替代燃料在燃烧室中的燃烧过程进行高精度的计算模拟。研究结果将有助于解决航空发动机真实运行环境下存在的熄火和再点火等问题，为新一代航空发动机的燃烧系统设计提供重要的理论支持和工程指导。
该项目将从以下几个方向开展研究工作：
1. 综合物理化学性质的RP-3替代燃料的进一步发展
本研究工作将基于陈教授课题组已开发的替代燃料模型，采用本重大计划所支持的国内同行开发的相关多组分化学反应动力学机理，进一步提高RP-3替代燃料模型的准确性。
相关论文：
[1] Chen X, Khani E, Chen C P. A unified jet fuel surrogate for droplet evaporation and ignition[J]. Fuel, 2016, 182:284-291.
[2] Su M, Chen C P. Heating and evaporation of a new gasoline surrogate fuel: A discrete multicomponent modeling study[J]. Fuel, 2015, 161(12):215-221.
2. 多组分燃料的喷雾蒸发和燃烧模型的开发
该部分研究将基于FGM方法开发多组分湍流喷雾燃烧模型，并耦合陈教授团队已开发的多组分喷雾蒸发模型对喷雾-蒸发-燃烧流动混合机理作基础研究。
相关论文：
[1] Chen, C. P. and Zhao, Bolin, “Numerical Investigation of Multicomponent Fuel Liquid Length and Vapor Penetration in High Pressure Hot Gas Flows,” 2nd Frontiers in Computational Physics: Energy Sciences, 3-5 June 2015, Zurich, Switzerland; journal paper to appear in Journal of Shanghai Jiao Tong University (Science), 2018.
[2] Samimi Abianeh, O., Chen, C. P., and Mahalingam, S., “Numerical modeling of multicomponent fuel spray evaporation process,” Int. J. Heat and Mass Transfer, 69, 44-54, 2014.
[3] Abianeh O S, Chen C P. A discrete multicomponent fuel evaporation model with liquid turbulence effects[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2012, 55(23-24):6897-6907.
3. 航空发动机燃烧室的模拟应用
该研究工作将在实际航空发动机运行工况下进行仿真模拟，研究燃料对复杂喷雾燃烧现象的影响，以及极端条件下航空发动机内熄火、再点火问题，并研究边界拓宽方法。
陈谦斌课题组目前希望招收一名博士后协助陈谦斌开展该项目的相关研究，感兴趣的同学请发送邮件到chienpin.chen@sjtu.edu.cn。
背景介绍
陈谦斌，现任密西根学院学术事务副院长、上海交大“唐君远讲席教授”。1983年于美国密西根州立大学化工系获得博士学位，加入密西根学院之前，他是美国阿拉巴马汉茨维尔大学化工与材料系的系主任和终身教授。陈谦斌教授的研究领域包括多相流、喷雾燃烧、湍流模型、计算流体力学以及前沿的生物晶片和气动光学的方向，是美国机械工程师协会会士（ASME Fellow）、澳洲高能材料学会的荣誉会士（Honorary Fellow）、美国航空航天学会副会士 (AIAA, Associate Fellow) 、美国化学工程学会高级会员和美国化学工程学会国际教育委员会成员、国际最具权威的工程教育认证体系 ABET 认证专家。曾获包括“美国国家航空航天局基数创新奖”、“美国航空航天局团队成就奖”、“美国航空航天学会年度杰出青年航天工程师奖”、“美国国家科学院/国家研究委员会驻地研究奖”等重要国际奖项。
