气固两相旋流燃烧的直接数值模拟

After analyzing and considering the current developmental tendency based on the fundamental researches, which are related with the Reynolds Averaged Numerical Simulation (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) focused on the gas-solid combustion. The proposal is trying to make use of Direct Numerical Simulation (DNS) for exploring and investigating the combustion instability and characteristic of the basic problems in gas-solid swirling combustion. .DNS, which is a high-resolution numerical method, has great advantages in investigation, especially for fluid flow and combustion. The proposal try to improve a numerical simulation method for compressible reacting flow, including massive parallel computing algorithm, particle collision and combustion model, two-phase no reflection boundary conditions, etc. Then, investigate the vortex's structure, instability, evolution, fraction, and the interaction between phases. Last, the stable mechanism, flame propagation of gas-solid swirling combustion and particles' distribution will be investigated and explained. A fourth-order explicit Rungee-Kutta method for time integration, an eighth-order central differencing scheme for spatial discretization are used to solve the full Navier Stokes equation system and a 19-step reduced mechanism and point source for combustion is adopted. In the DNS program of gas-solid swirling combustion, the coupling of mass, momentum and energy between phases will be considered..After these efforts, we hope to 1) clarify the relationship between turbulence and flame characteristics in swirling combustion; 2) acquire the transient and statistic information of gas and particle phase; 3) reveal the stable mechanism of gas-solid swirling combustion. The research results might provide a new theoretical method for mechanism analyze of gas-solid swirling combustion and optimization design for engineering realization.

基于对目前雷诺时均模拟和大涡模拟在两相燃烧研究方面的现状与发展趋势的分析和思考，提出采用直接数值模拟对单相和气固两相旋流燃烧的基础问题进行研究。直接数值模拟是一种高精度的研究手段，对流动和燃烧的研究来说，具有特别的优势。本项目的着力点首先放在气固两相燃烧直接数值模拟方法的发展上，其中包括三维两相可压缩反应流动大规模并行计算算法、颗粒燃烧模型、两相无反射特征边界条件等；然后开展单相和两相旋流过程中涡破裂、不稳定性规律以及颗粒与流体的相互作用等；最后对气固两相旋流燃烧的稳燃机理和多场相互作用规律进行剖析和诠释。上述研究工作的完成可望实现：1）澄清旋流火焰中湍流与火焰结构的相互作用；2）获取气相和颗粒相的瞬态和统计信息，建立可靠的两相燃烧直接数值模拟数据库；3）揭示气相和气固两相旋流燃烧的火焰特性、稳燃烧机理和多场多尺度耦合规律。为气固两相旋流燃烧的机理分析和优化设计提供新的理论分析方法和手段。

基于对目前雷诺时均模拟和大涡模拟在两相湍流燃烧研究的现状与发展趋势的分析和思考，本项目提出了采用直接数值模拟方法对单相和气固两相旋流燃烧的基础问题的研究。项目的着力点首先放在气固两相湍流燃烧直接数值模拟方法的发展上，然后基于该方法开展对单相和两相旋流燃烧过程中的稳燃机理和多场多尺度耦合机理进行研究，最后基于计算得到的直接模拟数据库对湍流燃烧模型进行了检验和发展，提出并发展了气相、气固两相湍流燃烧模型，为气固两相旋流燃烧的机理分析和优化设计提供新的理论方法和研究手段。本项目的研究实现了：1）基于点源颗粒的气固两相煤粉燃烧的直接数值模拟计算平台的建立；2）气相旋流火焰的直接数值模拟计算，研究了不同当量比、湍流层流入口对旋流火焰结构的影响等；3）三维气相湍流射流抬升火焰的直接数值模拟计算，详细研究了火焰特性、统计特性以及对相关燃烧模型的检验；4）平面火焰和球形火焰的气相湍流预混燃烧的直接数值模拟计算，研究了化学反应源项的封闭问题；5）煤粉湍流射流火焰的直接数值模拟，研究了煤粉火焰中颗粒-涡结构的相互作用，揭示了详细的火焰结构、燃烧特性和稳燃机理；6）创新性地提出了动态二阶矩湍流燃烧模型，对含有旋流燃烧的多个标准气相湍流火焰进行了大涡模拟，得到了与实验室吻合的计算结果；7）提出了多入口的煤粉小火焰燃烧模型，并计算了半工业煤粉旋流燃烧器，得到了比较准确的预测结果。8）采用激光多普勒测量仪对旋流燃烧器出口的空气动力场进行了冷态实验测量，探究出口回流区的分布情况及射流扩展规律。本项目的成果为今后气固两相燃烧的研究奠定了理论和研究方法基础。