激波诱导火焰失稳和湍流化的随机涡模拟及机理研究

激波诱导火焰失稳进而导致其湍流化的过程，是超声速燃烧和工业爆炸灾害领域的常见现象，它涉及一系列复杂的物理化学过程，其研究必须考虑湍流、激波和化学反应之间的非线性相互作用过程，而这些作用至今尚未被完全认识。本项目拟将基于随机涡概念的亚尺度模型植入可压缩流的大涡模拟数理模型中，对激波诱导火焰失稳和湍流化过程进行数值模拟，其中随机涡方法具有描述真实湍流和低维度小计算量的独到优点，尤适于该过程研究；采用高时空分辩率的光学可视化实验和其它实验结果定量和定性地验证和改进模型；探讨激波作用下火焰失稳变形、湍流产生和发展、流场"奇异波"和"热点"等现象的产生和发展机理。上述研究内容可以发展用于可压缩流的新型湍流燃烧模型，并根据结果深入探索激波诱导火焰失稳和湍流化过程的动力学演化机理，因此不仅具有重要的理论意义，而且还对超声速燃烧发动机的燃烧室设计、工业爆炸灾害的认识和防治有着重要的实践意义。

激波诱导火焰失稳和湍流化的过程在超新星爆炸、工业爆炸灾害和超燃推进等现象和领域中普遍存在，本项目以此为背景，采用基于随机涡模型的数值模拟方法对其中涉及的复杂现象和规律进行了研究。主要内容包括：激波诱导惰性球形界面失稳的三维大涡模拟及机理研究；随机涡模型的建立和应用；激波诱导球形火焰和湍流化的二维和三维数值模拟及机理研究；激波诱导火焰失稳的流动拓扑结构研究等。得到的重要结果包括：（1）惰性球形界面在入射激波诱导下可以形成涡环结构，并在反射激波的作用下逐渐失稳形成复杂的小尺度流向涡结构，因而促进了界面混合的过程；（2）建立了变密度随机涡模型，并以此作为亚尺度模型成功应用于激波诱导球形火焰失稳及其湍流化的大涡模拟中，数值模拟结果表明，在入射激波作用阶段，物理过程主导了火焰的发展，在反射激波作用阶段，化学反应主导了火焰的发展过程，激波诱导火焰失稳有利于已燃气/未燃气之间的混合并促进湍流燃烧的进行，但燃烧的增强反过来会抑制混合过程；（3）在反射激波作用下，较强的激波和较高的反应活性会促使失稳火焰形成反应性激波分歧（RSB）结构（又称“奇异波”结构）并引发爆轰，尽管爆轰引发的时空特性强烈依赖于流场的复杂结构并具有一定的随机性，但爆轰引发遵循激波诱导的热点爆炸机理；（4）失稳火焰的流动拓扑研究表明，波后流场中失稳火焰主要表现出不可压缩的流动特性，火焰区应变结构和旋转（涡量）结构的比例大体相当。上述研究发展了用于可压缩流的湍流燃烧模型，深入探讨了激波诱导火焰失稳和湍流化过程的动力学演化机理，研究成果不仅具有重要的理论意义，而且还对超声速燃烧发动机的燃烧室设计、工业爆炸灾害的认识和防治有着重要的指导价值。