变组分湍流反扩散火焰燃烧机理及其全尺度建模研究

湍流反扩散火焰是指氧化剂射入燃料氛围形成的火焰，在炼铁，煤燃烧的污染物控制以及煤气化等技术中都得到了应用，深入理解反扩散火焰结构特性和燃烧机理对提高燃烧效率，降低NOx排放具有重要意义。本课题搭建反扩散火焰实验台，基于非接触激光测量技术对不同燃料/氧化剂形成的湍流反扩散火焰进行系统研究，探讨气化氛围下反扩散火焰高度随射流雷诺数等重要参数变化的规律，利用激光PLIF，PIV等手段测量氢气反扩散火焰的流场及标量场分布，并给出完备湍流信息，建立完善的正-反扩散射流火焰数据库，并通过数据的比较，探索湍流混合同详细化学反应机理间的相互作用。在理论研究方面，该课题分别基于可在Kolmogorov网格精度下直接计算湍流反应的一维湍流模型（ODT），简化PDF模型以及EDC模型对不同湍流扩散火焰建模，通过对模型的分析，在全尺度范围内分析反扩散火焰湍流特性，深化对湍流反扩散火焰燃烧的机理研究。

湍流反扩散火焰是指氧化剂射入燃料氛围形成的火焰，在炼铁、煤燃烧的污染物控制以及煤气化等技术中都得到了应用，深入理解反扩散火焰结构特性和燃烧机理对提高燃烧效率，降低NOx排放具有重要意义。本课题搭建了三通道反扩散火焰实验台，可在100~4000的中心射流雷诺数条件下稳定运行。通过三年的研究，基本完成了课题初期计划的研究内容及研究目标，主要取得了以下成果：.1）.对照相法、加装滤镜照相法、ICCD以及激光PLIF，激光瑞利散射等光学测量技术进行详细研究，确定了各类光学方法在研究反扩散火焰特征时的适用范围。开发了可信的信号后处理技术用以定量地分析火焰高度的变化规律。.2）.基于上述非接触激光测量技术和不同的光学拍照技术，分别对CH4、H2、C2H4以及CH4/H2合成气等不同燃料的反扩散火焰结构进行了详细研究，发现反扩散火焰的扩散特征有别于正扩散火焰，燃料的扩散特性以及Soot生成机理（仅对碳氢燃料）对反扩散火焰的形态和高度变化具有决定性影响。.3）.发现 O2浓度对CH4反扩散火焰高度几乎没有影响，主要原因在于：氧化剂中O2浓度的升高，一方面使得参与燃烧的燃料量增多，火焰高度趋向于增加，另一方面增强了组分扩散，火焰高度趋向于缩短，对CH4燃料，两方面的综合影响刚好基本抵消，故火焰高度几乎不变，且火焰高度仅受射流雷诺数的影响。.4）.在Ropper公式的基础上，修正了燃料扩散系数的影响，建立了一种半经验的拟合关系式，用以预测反扩散火焰高度随射流Re数的变化情况。该公式对不同的反扩散火焰均取得了较好的预测效果，同时说明了燃料扩散特性在反扩散火焰中具有比较重要的作用；.5）.采用B型热电偶分别测量了C2H4-Air以及H2-Air反扩散火焰的温度场，获得了典型反扩散火焰的温度特征。.6）.在理论研究方面，开发了一维湍流模型（ODT），能够在 Kolmogorov网格精度下直接计算湍流的流动和反应过程。采用该ODT模型分别对空气射流、He浮力羽流以及CH4-空气射流等工况进行了详细的数值模拟，并与对应的测试数据进行对比，表明了ODT模型不仅具有较高的预测精度，并且能够获得瞬态的射流火焰特性。.7）.发表文章共8篇，其中SCI收录文章2篇，EI收录文章6篇，参加国内外会议5人/次，培养博士研究生1人，硕士研究生1人。