MMC湍流燃烧模型及其在大涡模拟中的应用研究

The sparse-Lagrangian particle scheme with high quality mixing model of multiple mapping conditioning will be carefully studied in this project. The density coupling method between the scalar filed of sparse-Lagrangian particle and Euler field provided by large eddy simulation will be developed. Some typical non-premixed turbulent flames will be investigated using the developed LES-MMC. The study of two reference variables will be carried out to develop LES-MMC models and numerical scheme with two reference variable. A series of turbulent flames with plenty of experimental data such as turbulent partially flames, flames with strong local extinction and reignition process and stratified flames will be numerically studied to validate the developed models and numerical scheme.The high efficient and stable LES-MMC code will be developed.

本项目拟开展MMC模型作为混合模型的稀疏粒子拉格朗日方法研究，发展稀疏粒子拉格朗日标量场与欧拉LES场的密度耦合方法，对典型的湍流扩散火焰开展LES－MMC数值模拟。针对湍流部分预混、分层燃烧以及存在较强局部熄火再点燃的非定常燃烧过程的典型湍流火焰，开展MMC方法中参考变量的选取研究，探索建立和完善双参考变量MMC模型及数值方法，对具有丰富实验数据的湍流火焰开展大涡模拟验证工作。发展高效稳定的LES－MMC计算程序。

求解标量联合概率密度函数输运方程的方法一般通过随机颗粒模型实现，即利用随机颗粒系综代替真实流场模拟湍流流动及标量混合，计算结果由粒子场信息统计得到。然而目前发展的小尺度混合模型几乎都需要大量粒子来保证混合的准确性，计算量过于巨大，因此PDF方法很难运用到实际工程问题中。多维条件映射模型（MMC）是一种兼具准确与效率的新型湍流混合及燃烧模拟方法。MMC模型通过引入一个或多个参考变量确保标量当地混合，在粒子较为稀疏的条件下亦可正确指导湍流混合。在此基础上发展的稀疏拉格朗日粒子模拟相较其他概率密度函数方法计算量大大减少，使PDF方法应用于实际工程问题中成为可能。.为完善MMC模型，求解标量联合的概率密度函数方程，以混合物分数做为参考变量，针对稀疏拉格朗日MMC模拟中粒子混合的当地性并考虑混合物分数梯度对粒子配对混合的影响，推导出改进的混合模型参数并对混合时间尺度作出改进,大大提高了MMC模型的普适性。在拉格朗日粒子场密度对模拟结果影响研究中，针对不同粒子密度对模拟结果精度的影响，提出与流场特性及数值方法相关的拉格朗日粒子加密方法，有效提高了稀疏拉格朗日粒子模拟准确性，对MMC模型的推广具有重要意义。借鉴密集颗粒的LES-PDF统计方法，开发了LES-MMC混合和燃烧的高效并行计算程序，开发了MMC模型实现需要的颗粒并行计算模块。开发的程序可以用于一些几何结构相对简单的湍流火焰的大涡模拟，可以用于下一步湍流燃烧的研究。.针对湍流预混及分层燃烧提出了动态加厚结合FGM方法的DTF-FGM模型，在标量联合概率密度分布上进行了深入研究，将考虑协方差的Coupla方法推广到大涡模拟中，并对标量协方差的输运方程进行了合理模化。对剑桥预混及分层的系列火焰进行了大涡模拟分析，结果表明发展的亚格子燃烧较好的预测了预混、分层以及高温伴流驻定火焰。同时开展了湍流液雾两相流燃烧的直接数值模拟，对高温自点火以及低温和高温反应动力学对着火过程的影响进行了深入的分析，发现了很多有价值的现象。上面两方面的研究成果，对LES-MMC方法用于部分预混及液雾两相流燃烧有重要借鉴价值。