气体-硼两相反应湍流及其火焰结构的机理研究

针对气体-硼颗粒两相燃烧的湍流流动，本项目拟将全直接数值模拟和大涡模拟的研究结果结合起来。首先对有限尺寸硼颗粒燃烧的湍流流动进行全直接数值模拟，建立直接模拟数据库，得到不同气体湍流度、相对速度、颗粒尺寸及气体温度等因素下颗粒周围流场和多样性火焰结构、燃烧速率、有颗粒燃烧及气体燃烧的两相湍流规律。其次再对硼燃烧的湍流流动进行大涡模拟，建立大涡模拟数据库。然后对已获得的硼湍流燃烧的全直接模拟的结果和大涡模拟的结果相对照，对现有的湍流燃烧模型和亚网格模型的封闭进行检验和评价，构造考虑两相湍流相互作用和两相燃烧作用的亚网格应力模型和燃烧模型。利用所构造的模型对硼颗粒燃烧的湍流两相流动进行大涡模拟，并对模拟结果进行实验验证，揭示其瞬态两相湍流结构和整体火焰结构，深化对基本现象的认识，为寻求更合理而且易于实现的工程问题的数值模拟新方法提供基础。

湍流的时平均特性和湍流的瞬态拟序结构也影响颗粒的运动、颗粒和气体组分的混合以及湍流化学反应率。改变颗粒直径、来流速度，气体粘性、气体密度和多颗粒间距，获得了有限尺寸颗粒增强气体湍流的规律，并构造了和现有模型不同的一种颗粒尾涡增强气体湍流的新模型。建立了考虑两相相互作用的两相湍动能方程亚网格尺度湍流模型，另外，气相湍动能方程亚网格尺度湍流模型也考虑了颗粒尾涡效应的影响。建立了两相流动的双尺度k-ε两相湍流模型和kg-εg-kp-εp-kpg-θ湍流模型以考虑颗粒碰撞和气固湍流影响。对燃烧流场进行了直接模拟和大涡模拟，利用数据库对与对现有的湍流燃烧模型和亚网格模型的封闭进行了检验和评价。对不同结构方案补燃室内的硼燃烧进行了模拟，并对先进燃烧室内的燃烧流场进行了探讨。同时建立了硼燃烧的低速小型实验装置，观测了火焰结构。