Collaborative Research: Discoveries in Multiphase Detonations: Fuel Droplet Processing at Extreme Conditions

合作研究:多相爆炸的发现:极端条件下的燃料液滴处理

基本信息

  • 批准号:
    1933457
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.03万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2020-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Combustion of storable, liquid fuels is common in everyday life, powering cars, trains, airplanes, and ships. The combustion efficiency in these engines depends on the reaction rate. As the reaction rate becomes faster, the combustion front propagates faster and can exceed the speed of sound, in a process known as a detonation wave. Combustion devices operating with detonation waves can yield much higher efficiencies compared to traditional engines. In liquid fueled detonation engines, fuel droplets, about the size of a red blood cell, must be broken up, evaporated, and reacted over few nanoseconds. In this project, a combination of new experimental and simulation methods will be used to better understand liquid fuel break up process and to develop a new model for the burning of fuel droplets in a detonation wave. The model developed can be used to improve the design of engines for civilian and defense applications. The overall goal of this project is to understand how 2-20 nanometer fuel droplets undergo simultaneous hydrodynamic breakup, vaporization, and reaction (SBVR) under detonation conditions. For this purpose, a new SBVR model will be developed and tested with fully resolved microscale simulations, and mesoscale multiphase detonation tube experiments and simulations. Microscale simulations will be performed using an in-house simulation code, IMPACT, based on the ghost fluid method. The SBVR model will be implemented on Lagrangian point particles in the open source hydrodynamics code, FLASH to simulate mesoscale experiments. Experiments will be conducted using the multiphase detonation tube facility. The key tasks to be conducted include, (i) investigations of simultaneous droplet breakup, phase change, and reaction in microscale simulations; (ii) measurement of detonation properties for various fuel droplet sizes using detonation tube experiments; and (iii) development and testing the SBVR model using experimental and mesoscale simulations data.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
储藏式液体燃料的燃烧在日常生活中很常见,汽车,火车,飞机和船只很常见。这些引擎的燃烧效率取决于反应速率。随着反应速率变得更快,在称为爆炸波的过程中,燃烧前端的传播速度更快并可以超过声速。与传统发动机相比,用爆炸波运行的燃烧设备可以产生更高的效率。在液体燃料的爆炸发动机中,必须分解,蒸发,并在几个纳秒上做出反应。在这个项目中,将使用新的实验方法和模拟方法的组合来更好地了解液体燃料破裂过程,并开发一种新的模型,以燃烧爆炸波中的燃料液滴。开发的模型可用于改善针对平民和国防应用的发动机设计。该项目的总体目标是了解2-20纳米燃料液滴如何在爆炸条件下同时进行流体动力分解,汽化和反应(SBVR)。为此,将开发和测试新的SBVR模型,并通过完全分辨的显微镜模拟以及中尺度的多相爆炸试管实验和模拟。将使用内部模拟代码(基于幽灵流体方法的影响)进行微观模拟。 SBVR模型将在开源流体动力学代码的Lagrangian点粒子上实现,以模拟中尺度实验。实验将使用多相爆炸管设施进行。要执行的关键任务包括(i)对微观模拟中同时液滴分解,相变和反应的研究; (ii)使用爆炸试管实验测量各种燃料液滴尺寸的爆炸特性; (iii)使用实验和中尺度模拟数据开发和测试SBVR模型。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响评估标准通过评估来获得支持的。

项目成果

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