液滴群是喷雾中的重要组成成分，理解液滴群的燃烧机理有助于喷雾燃烧的子模型发展。由于液滴之间的互相影响，液滴群往往集总地燃烧，即群燃烧（group combustion）。经典的液滴群燃烧理论基于准稳态假设被提出，在该理论的框架下，无量纲数G被用于划分液滴群的不同燃烧模式——单液滴燃烧（single-droplet combustion）、液滴群内部燃烧（internal group combustion）、液滴群外部燃烧（external group combustion）、液滴群外包燃烧（sheath combustion）。该理论后来被稳态实验所验证，但由于准稳态的假设而被发现不能准确预测液滴群的着火过程。本研究利用详细数值模拟，旨在研究瞬态着火条件下的液滴群燃烧，拓展传统的准稳态群燃烧理论。

本研究首先通过数值仿真展示了液滴群在瞬态自引燃过程中的多重火焰结构（图1），结果表明相同液滴群分布能在不同液滴群温度下产生蒸发、扩散、反应化学的交互作用，在空间上形成多层火焰结构。

图1 液滴群在液滴群温度为500 K、700 K、900K形成的多层火焰结构，环境温度为1200K

文章重点比较了相同G数的液滴群所处的着火模式（图2），发现在共同的一段着火和二段着火区域外有两处着火模式不确定的区域（灰色区域）。这说明G数有一定的预测能力但不能完全预测液滴群的着火模式，这个不足推动了本研究新无量纲数的提出。

图2 液滴群着火模式相图，图中彩色实线为由三个不同子参数d、n和R_c构成的G数下着火模式的分界线。

经过与传统理论的比较发现（图3），准稳态视角下液滴群燃烧的特征尺度为液滴群半径R_c，即液滴群内部的影响可以迅速传递至液滴群外，没有瞬时的存储；然而在着火问题中，起主导作用的是液滴群外沿的薄蒸发层（thin vaporization layer），所以特征尺度为蒸发层厚度L_vp。基于此认识，本研究推导得出新的无量纲数G_ig，G_ig = L_vp·(nA_d) = 4πn^2/3d²。nA_d为薄蒸发层内单位体积液滴的总表面积，其量纲为长度的倒数，在物理上可以理解为局部蒸发的特征尺度的倒数。

图3 经典群燃烧理论与本研究的区别

新提出的G_ig可以成功预测液滴群的着火模式（图4），且其瞬时值G_ig,temp与液滴群的总蒸发速率有强相关性。这些发现拓展了经典液滴群燃烧理论，并为喷雾燃烧建模提供了新思路。

图4 不同环境温度T_a和群着火数G_ig下液滴群着火模式相图

2019级直博生周恒毅为该论文的第一作者，刘有晟副教授为通讯作者。文章于2021年8月22日发表于Combustion and Flame。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111689。