超声速射流火焰湍流输运和热扩散不稳定性研究

This project conducts theoretical and experimental investigation on flame propagation, turbulence transport and thermal-diffusive instability in supersonic coaxial jet flame, in view of the insufficient development of turbulence transport modeling and thermal-diffusive instability analysis. Two key scientific issues to be resolved are to understand the characteristics and discrimination of turbulence transport and thermal-diffusive instability driven by preferential diffusion. Firstly, to diagnose the flame propagation phenomena including ignition, local extinction, and reigniting processes. Secondly, to explore the formulation, transformation and discrimination of turbulence transport. Thirdly, to analyze thermal-diffusive instabilities under various combustion components. Finally, to recognize the stabilities of supersonic combustion in a directly-connected experimental rig. Through the implementation of this project, the expected breakthroughs are of great academic importance in the improvement of modeling on turbulent combustion, also beneficial to realize the efficient, stable, and controlled combustion, and to design and optimize the combustor in ramjet engine.

针对湍流输运和热扩散不稳定性在机理认识上的不足，以大梯度伴流射流火焰为研究对象，着重开展“超声速射流火焰传播过程、湍流输运特性和热扩散不稳定性研究”，拟解决关键科学问题：湍流输运特性及其判别准则和优先扩散效应作用下的热扩散不稳定性。①诊断射流火焰点火、局部熄火与再燃等火焰传播过程；②探索大梯度作用下的湍流输运特性及其判别准则；③分析不同燃料组分优先扩散效应下的热扩散不稳定性；④将上述影响规律和机理认识应用于超声速燃烧稳定性研究，为认知湍流燃烧机理、完善湍流燃烧模型提供技术支撑。通过本项目研究，获取多工况多参数对燃烧稳定性的影响规律，可以促进更精确湍流燃烧模型的发展与应用，有利于实现高效、稳定及可控制的燃烧，对于设计和优化冲压发动机等高性能燃烧设备有重要的理论价值和实际应用价值。

1、本项目针对湍流输运和热扩散不稳定性在机理认识上的不足，以大梯度伴流射流火焰为研究对象，围绕①射流火焰特性；②湍流输运特性及其判别准则；③热扩散不稳定性；④超声速燃烧应用，开展了针对性的系统研究，完成了预期研究成果，主要研究进展由以下要点构成：.（1）逆梯度输运的空间分布规律研究：首先在现有考虑逆梯度输运因素的模型基础上进行理论推演，对逆梯度输运的空间分布规律进行预测。通过数值模拟与数据处理与统计方法对理论规律进行验证。.（2）湍流燃烧逆梯度输运的影响因素研究：在标准算例基础上，进行多因素、多工况计算，并应用逆梯度是输运空间分布规律，研究对逆梯度输运影响较深入且可控的因素，验证逆梯度输运与热扩散因素存在关联的猜想。.（3）湍流流动中逆梯度输运分布规律研究：通过亚声速/超声速槽道冷流的数值模拟，研究了入口马赫数、激波产生位置等因素与湍动能负产生率发生区域的关系，并通过对流体微团的运动规律分析对其进行了初步解释。.（4）扩散燃烧梯度输运特性与不稳定性特征匹配：通过逆梯度输运空间分布规律与HHT等频谱分析方法分别对扩散燃烧中的输运特性与不稳定性特征进行捕捉，研究二者分布关系。.（5）超声速受限射流燃烧室工作特性研究：通过将超声速射流火焰结构嵌入到凹腔型燃烧室中，研究超声速射流火焰在射流型冲压发动机的应用。通过冷态和热态的数值模拟，研究了当量比、喉道面积、分布释热、燃油喷注等多个因素对于燃烧室工作特性的影响。.（6）射流火焰试验台的光学测量研究：通过射流火焰试验台实现燃烧场的速度测量，综合分析得到湍流火焰混合层演化过程、火焰结构形态和传播过程。采用粒子图像测速技术测量火焰速度场分布，分析火焰结构与影响实验结果因素。.2、主要研究成果包括：国内外期刊发表论文13篇，其中SCI收录4篇、EI收录2篇。授权专利1项。培养硕士研究生6名。.3、逆梯度输运是燃烧学理论界研究的挑战之一，而燃烧不稳定性则是工程实践中必须克服的困难。本项目结合二者进行了合理、可靠、高效的建模和分析。通过有效的组织协调，积极开展国内外学术交流与合作，最终在理论研究、数值分析和信号提取等方面积累了相当丰富的经验，这将为进一步发展燃烧不稳定性的理论研究打下一定的基础。在现有研究基础上，将继续抢占学术制高点，完成这些研究方法在复杂问题中的推广与应用，致力于推进燃烧不稳定性的理论研究。