为了提高燃烧效率、降低排放并增强运行灵活性，许多现代燃烧装置采用了多燃料喷雾喷射策略[[1], [2], [3]]。在这些系统中，两种或更多具有不同挥发度、密度和化学反应性的液体燃料以喷射/喷雾的形式注入燃烧室。这种方法利用物理性质的巨大差异来增强混合控制、扩展运行范围、减少排放，或者在没有外部点火器的情况下实现自燃[4,5]。然而，与传统单燃料喷雾相比，这类多燃料系统引入了更大的物理和化学复杂性，使得精确的数值建模变得更加具有挑战性。
Eulerian-Lagrangian方法已被广泛用于模拟喷雾燃烧[6]。在这个框架中，气体相方程在网格上的Eulerian框架内求解，而液相则通过沿其轨迹跟踪的Lagrangian粒子来表示。两相之间的双向耦合通过源项表达，这些源项考虑了气体流动和液滴之间的质量、动量和能量交换。由于Lagrangian粒子被视为无形状且体积为零的质量点，因此需要子模型来描述具有特定形状和非零体积的实际液滴所经历的各种物理过程，包括空气动力学破碎、多组分蒸发和液滴碰撞[[7], [8], [9]]。例如，Zhang等人[10,11]在KIVA框架内建立了一个n-丁醇和生物柴油的交叉撞击喷雾模型，并对两种燃料的混合浓度分布和点火特性进行了详细分析。
对于涉及高化学反应性燃料和氧化剂的系统（即液体火箭发动机中的双组元推进剂燃烧[12]），计算建模变得更加复杂。这些推进剂在接触时会发生剧烈的放热液相反应，即使在室温或更低温度下也是如此[[13], [14], [15]]。尽管液相推进剂的许多物理和化学过程仍不甚清楚，但它们在双组元点火中的关键作用已被广泛认可[[16], [17], [18]]。许多实验和理论研究表明，液相反应是随后气相燃烧的关键启动过程[15,[19], [20], [21], [22]]。在Ariel等人的液滴接触实验[23]中，单甲基肼（MMH）和四氧化二氮（NTO）混合物的温度从初始值（-13°C）上升到沸点（87.5°C）仅用了大约0.05 μs，这远短于典型的气相点火延迟时间[12,24]。这一观察表明放热液相反应对双组元点火起着主导作用。然而，大多数建模工作都忽略了这一重要的物理过程[[24], [25], [26], [27], [28]]，只有少数模型以简化的方式考虑了液相反应[12,[29], [30], [31]]。
早期尝试将液相反应纳入Eulerian-Lagrangian求解器的研究包括Knab等人的工作[29]，他们首次模拟了氧化剂粒子与 chamber 壁上形成的燃料膜之间的反应。他们的模型假设接触时反应速率无限快，立即释放热量和气体产物。Zhuang等人[30]模拟了喷射撞击中的液相反应，将反应时间尺度视为与碰撞时间尺度相同，并利用释放的热量来估计随后破碎液滴的平均尺寸。Wei和Liang[12]考虑了液膜和撞击点处的液相反应，根据实验测量的热释放率来确定反应速率。这些建模方法大大简化了液相反应，严重依赖于实验研究的经验参数和物理假设，因此无法捕捉温度和物种摩尔浓度对液相反应速率的影响。最近，Wang等人[31]首次尝试在KIVA平台上模拟混合液滴中的液相反应，成功再现了在广泛Damk?hler数范围内的双组元推进剂喷雾撞击的“爆裂”现象[32]。他们将混合液滴视为一个均匀反应器，液相反应速率通过Arrhenius公式表示，其中反应速率常数随液滴温度的增加而增加。
在本研究中，开发了一种用于具有气体相和液相反应的多燃料反应喷雾的Eulerian-Lagrangian求解器。液相反应模型将每个混合液滴视为一个零维的均匀反应器，反应速率由局部液滴温度和物种摩尔浓度决定。为了准确捕捉液相热释放引起的快速温度升高，相变模型扩展了一个沸腾模型，当液滴温度超过混合物中任何物种的沸点时使用该模型。第2节详细介绍了数值实现和控制子模型的细节。第3节描述了本研究中测试案例的计算设置，包括柴油-乙醇混合喷雾、交叉撞击甲醇-生物柴油喷雾以及火箭发动机室内的双组元推进剂燃烧。提供了计算域、网格生成、边界和初始条件以及特定案例参数的详细信息。第4节对使用所开发的求解器获得的这些应用的模拟结果进行了全面的验证和分析。
