多孔介质内湍流过滤燃烧的非平衡多尺度研究

过滤燃烧,亦即多孔介质内的燃烧,是自然界和工程中广泛存在的一种燃烧现象。其广泛性和重要性绝不亚于普通自由燃烧。本项目通过理论分析、实验测试和数值模拟三大手段，深入探索大孔隙率多孔介质中气相湍流过滤燃烧的微观机理和基本规律，用多尺度模拟方法探索过滤燃烧的非平衡、多尺度特性；研究多孔介质中弥散现象的机理及其与燃烧反应的相互作用，总结出弥散系数的计算方法；研究湍流对过滤燃烧火焰传播及化学反应率的影响，厘清湍流输运和弥散输运之间的联系与区别，并建立过滤燃烧的湍流－弥散燃烧模型。本项目关于湍流过滤燃烧的火焰动力学的研究将在微观层面上揭示已往被忽视的湍流效应对过滤燃烧的影响，形成比较系统的有关过滤燃烧的非平衡多尺度特性的新知识；建立多孔介质随机结构及气相过滤燃烧过程的比较完善的多尺度数学模型；提出对过滤燃烧进行有效控制的策略与途径，为过滤燃烧在国民经济和社会发展中的高效利用提供理论和技术储备。

通过理论分析、实验测试和数值模拟三大手段，对气相湍流过滤燃烧的特性与机理进行了较系统深入的非平衡多尺度研究。研究工作达到了预期目标。主要完成的工作包括：建立了大孔穴率多孔介质复杂结构的几何模型；进行了多孔介质内输运特性及热弥散现象的双尺度模拟及机理研究，深入考察热了弥散作用对多孔介质内湍流预混燃烧化学反应率的影响及其尺度相关性；开展了微尺度管道中流动及燃烧过程的直接模拟蒙特卡洛法（DSMC）模拟，完成了微米量级尺度下的燃烧模拟，开展了多孔介质中预混合燃烧温度场和排放产物的实验测试。项目获得的主要成果有：.（1）对低速反应流内化学反应热与热弥散之间的相互关系进行了系统的理论梳理，自行推导了含化学反应源项的多孔介质内非平衡热输运方程，并将其转化为边值问题进行数值求解，初步厘清了化学反应对热弥散的影响，证明化学反应速率对弥散的贡献与Thiele模数和Péclet数密切相关。.（2）根据孔尺度下湍流预混燃烧的数值模拟结果对尺度升级过程中涉及的本征单元尺度和热非平衡尺度进行了定性的计算。从数值模拟的角度对de Lemos提出的“本征平均化学反应速率的封闭问题”给出了求解方案。初步的计算表明，尺度升级引起的质量弥散会对本征平均化学反应速率的计算产生重要影响。.（3）根据体积平均理论推导出宏尺度湍流过滤燃烧反应进度变量方程，其中同时考虑了湍流对火焰的拉伸和扭曲作用以及固体基质冷壁淬熄的影响。通过对火焰传播模式的划分，使尺度升级的反应进度变量方程可以应用到湍流过滤火焰的数值计算中。.（4）采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法完成了微米量级尺度下的燃烧模拟，对其特性及有关参数的影响进行了系统的分析，总结出相关的规律。. 本项目探明了气相湍流过滤燃烧的特性与机理，为过滤燃烧在国民经济和社会发展中的高效利用提供了必要的理论基础和知识储备。本项目范围内共发表论文23篇，其中国际期刊论文11篇，SCI收录9篇，EI收录11篇，培养毕业博士2人、硕士3人。