image: 悉尼钝体湍流射流火焰中主要产物H2O在不同轴向截面处的分布结果 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
燃烧，是一种具有强烈的非线性与时空多尺度特征的化学反应，这一特征也正是求解湍流燃烧问题的根本性挑战。迄今为止，研究者们提出了多种湍流燃烧模型，包括火焰面类模型，概率密度函数（PDF）类模型，条件矩封闭（CMC）模型，以及涡耗散概念（EDC）模型等，但这些模型在构建的物理基础及封闭的合理性方面一直没有令人满意的方案。
近日，上海交通大学王利坡课题组与中国科学院力学研究所张健课题组合作，在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上发表了题为“Non-premixed turbulent combustion modeling based on the filtered turbulent flamelet equation”的研究论文，对湍流扩散火焰模型提出了新的思路。文章发表于2020年第4期，页码为244711。
在大涡模拟（LES）框架下，根据滤波平均的火焰特性，研究人员推导出了新的滤波火焰面方程，并由此出发，构建了滤波火焰面模型。由于在LES概念上的自洽，滤波火焰面模型不再需要对标量耗散率的概率密度分布函数和标量脉动方差做模化，与其他燃烧模型相比，在原理上也减小了数值模拟的不确定性。
图1和2分别展示了几种常用的湍流燃烧模型与滤波火焰面模型并在悉尼钝体湍流射流火焰模拟中的结果对比。红色实线表示滤波火焰面模型（简化机理）的结果，粉色虚线表示火焰面/过程变量模型（详细反应机理）的结果，蓝色虚线表示火焰面/过程变量模型（简化机理）的结果，绿色虚线表示层流火焰面模型（详细反应机理）的结果，实心三角标为实验结果。新模型与实验结果符合更好。
该工作是滤波火焰面模型的初步应用，为LES框架下燃烧化学反应项的封闭问题提供了一种全新的解决方法。该模型的进一步改进和完善将会为湍流燃烧研究带来新的启发。
该研究得到国家自然科学基金项目（No. 11572330）、燃气轮机与民用航空发动机教育部工程研究中心、航空发动机气动热力重点实验室开放基金（No. 6142702180307）和国家留学基金委员会“国际清洁能源拔尖创新人才培养项目”（No. 201904100044）的支持。
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文章信息： J. Zhang, L. P. Wang, and Y. Q. Guo, Non-premixed turbulent combustion modeling based on the filtered turbulent flamelet equation, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 244711 (2020), https://doi.org/10.1007/s11433-019-1458-4 http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/63/4/10.1007/s11433-019-1458-4?slug=fulltext