湍流预混燃烧反应标量小尺度混合规律基础研究

Currently Probability Density Function (PDF) methods can not accurately predict local extinction/re-ignition and NOx/CO formation in turbulent premixed combustion due to the fact that current scalar micro-mixing models do not account for the effect of chemical reactions on reactive scalar mixing. Further investigation of the interaction between scalar micro-mixing and chemical reactions is the key to the development of mixing models applicable for turbulent premixed combustion. This project employs direct numerical simulation (DNS) data and the method of low-dimensional flames with turbulent diffusion to investigate the effect of the small-scale turbulence on flame structure and reactive scalar dissipation rates; to build the underlying connection between scalar micro-mixing, turbulent mixing and chemical reactions; finally to develop a scalar micro-mixing model applicable to all the regimes of turbulent premixed combustion and therefore significantly improve the predictability of PDF methods for premixed combustion. Furthermore acceleration methods for detailed chemical kinetics are investigated and then integrated into large eddy simulation/probability density function (LES/PDF) to form the high-fidelity simulation approach that can address the three most challenging modelling difficulties: turbulence, turbulence-chemistry interaction, and detailed chemical kinetics. LES/PDF simulations with detailed chemistry are performed to investigate the local-extinction/re-ignition and emission formation in turbulent premixed flames and therefore to gain physical insights on the development of premixed combustion technologies with ultra-low emission.

现有标量小尺度混合模型由于没有考虑化学反应对反应标量混合的影响，导致概率密度函数方法不能准确预测湍流预混燃烧中的局部熄火/再燃和NOx/CO生成。反应标量小尺度混合和化学反应交互作用机理是发展适用于湍流预混燃烧的混合模型亟需研究的关键科学问题。本项目从直接数值模拟数据出发，运用包含湍流扩散的低维火焰理论和方法，揭示小尺度湍流对火焰结构和反应标量耗散率影响机制，建立反应标量小尺度混合、湍流混合和化学反应之间的内在关联，发展一个适用于各个预混燃烧状态的混合模型，提升概率密度函数方法对预混燃烧的预测精度。同时完善详细化学反应动力学高效计算的理论和方法，与大涡模拟/概率密度函数方法结合，解决最具挑战的三个模拟难点：湍流、湍流/化学反应相互作用和详细化学反应动力学，实现高效、高精度的湍流预混燃烧模拟，并用于揭示局部熄火/再燃及污染物生成的物理机制，为发展超低排放的预混燃烧技术提供理论和模拟方法。

现有标量小尺度混合模型由于没有考虑化学反应对反应标量混合的影响，导致概率密度函数方法不能准确预测湍流预混燃烧中的局部熄火/再燃和NOx/CO生成。本项目从直接数值模拟数据出发，揭示了湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制，揭示了IEM和EMST混合模型在火焰面燃烧模式与破碎反应区燃烧模式下的显著差异，为标量混合时间尺度的建模提供了理论支撑；建立了反应标量小尺度混合、湍流混合和化学反应之间的内在关联，发展了一个适用于各个预混燃烧状态的混合模型，该模型首次量化了预混燃烧中湍流混合和化学反应过程对反应标量混合的影响，先验和后验表明新发展的线性混合模型从建模上提升PDF方法对湍流预混燃烧的模拟精度；发展了自适应反应动力学、RCCE降维等新方法， 构建的自适应、智能化确定化学反应动力学加速方法的体系，大幅减轻化学反应动力学高效计算瓶颈，同时发展的反应-输运耦合求解格式提升了数值模拟效率和精度；开展近极限湍流预混燃烧PPJB火焰的大涡/输运概率密度函数模拟，量化了混合模型、解析度和差异扩散对于燃烧特性预测的影响规律，揭示了局部熄火/再燃及污染物生成的物理机制；最后运用包含湍流扩散的低维火焰理论和方法，揭示了小尺度湍流对火焰结构和反应标量耗散率影响机制，发展了基于火焰面的NOx预测模型，构建了湍流、燃料/空气预混度/排放/停留时间的关系式，为发展超低排放的预混燃烧技术提供理论和方法，并对富氢和氨气等发展了低排放燃烧技术。该项目已发表21篇SCI学术论文（其中Combustion and Flame 和 Proceedings of the Combustion Institute 10篇），EI论文5篇；参加国际学术会议并作报告15人次；毕业博士2，硕士2人。