基于相构造混合分数的大尺度火焰淬熄模拟研究

提出大尺度火焰淬熄动力学概念，研究基于相构造混合分数的数值模拟方法，包括：采用化学分析和燃烧场激光诊断技术，进行火焰淬熄过程标量和速度的联合测量；研究反映传热与传质的Shvab-Zel'dovich形式守恒标量，构造描述多相反应流的混合分数，并研究该类型混合分数与Spalding数等无量纲参量之间的关系，推导出相应表达式；分析反应系统分层结构，构建各亚机理的数据库，研究基于时间尺度分离的燃烧系统转换理论，构筑框架机理和简化机理；采用一维全尺度湍流ODT和直接数值模拟DNS的计算值、以及实验数据，构建基于混合分数特征量的热化学表，研究使用建表法的数值模拟技术；研究基于相构造混合分数的大涡模拟LES的数值格式及实现方法；模拟研究火焰淬熄过程的合成气形成与CO等毒物释放规律。通过以上研究，希望建立大尺度火焰淬熄的系统分析方法、以及基于混合分数的多相流计算理论，并揭示火焰淬熄过程的物理化学机理。

项目的背景. 国际上对于火焰抑制剂的效果评价，不论是相变抑制还是化学抑制，从理论上都是由其预混火焰的层流火焰速度来定量评价，而一大类火灾是扩散燃烧，基于混合分数的燃烧模型是扩散火焰数值模拟的核心，但目前混合分数一般仅由燃料和氧化剂来定义，不能描述局部相变和关键火焰抑制组分浓度对燃烧的影响。我们采用相构造混合分数的概念来解决该难题，它不仅可以反映反应流中的混合与燃烧，而且能够描述相变中的传热传质，混合分数概念的引入又使得多相反应流数值模拟能够与现代计算方法相联系。.主要研究内容. 采用先进的燃烧场激光诊断技术，进行了精密测量；研究反映传热与传质的Shvab-Zel'dovich 形式守恒标量，构造可以描述多相反应流的混合分数，并研究该类型混合分数与Spalding 数等无量纲参量之间的关系；分析反应系统分层结构，构建各亚机理的数据库，研究基于时间尺度分离的燃烧系统转换理论，构筑框架机理和简化机理；研究基于混合分数燃烧模型的高精度多维反应流数值模拟方法；研究湍流与复杂化学相互作用的机理研究的数值模型；海量数据分析方法研究及燃烧高保真数据库建立。.重要结果. 发展了相关程序库，完成了基于混合分数扩散火焰抑制的数值模拟研究平台建设，程序包括：.1）复杂化学的计算奇异摄动CSP分析和固有低维流形ILDM分析及其简化；.2）复杂化学的直接关系图法DRG和基于重要性水平LOI分析的简化；.3）基于准稳态分析QSSA的总包机理的自动生成；.4）复杂化学与湍流作用机理分析的一维全尺度湍流ODT大规模高性能计算；.5）多维反应流直接数值模拟DNS；.6）基于大涡模拟LES的多维反应流大规模高性能计算；.7）考虑组分微分扩散的多维反应流大涡模拟LES；.8）海量高保真数据的CEMA分析。. 发表了国际高区论文二篇，另二篇高区论文评审中。.关键数据.1）获得了激光诊断的实验数据；.2）获得了高性能计算的海量高保真数据。.科学意义. 火焰抑制是火灾研究的重要内容，模型与数值模拟是火灾动力学理论体系的主要内容之一，目前火焰抑制的方法较多，导致的研究分散。考虑火焰熄灭的共性理化因素是吸热和链反应终止，采用扩展的相构造混合分数，利于统一研究共性问题并发展相关理论、以及理论指导下的产品研发。