湍流燃烧中火焰与流动相互作用的非局部与定量描述及其物理机理研究

Because of the flame-turbulence interaction, the main challenges in understanding turbulent combustion physics lie in a better description of the such interaction. More specifically, we focus on how to quantify and characterize the scale and filed properties of the interaction. These topics are extremely important but unfortunately relative scarce. Most of the relevant existing results focus on the local properties; thus our understanding of turbulent flames has been largely confined. This project aims on the few fundamentally important topics both for the premixed and non-premixed turbulent combustion systems. Theoretically and numerically it is possible to characterize the nonlocal statistics in a quantitative manner. With the aid of some novel approaches developed in fundamental turbulence, it is possible to facilitate the understanding of the following important problems, such as the possible quantitative relation between the turbulent flame speed and the flowing parameters, the more precise description of the topological features of turbulent flame and the influences of the flame edge on the overall combustion performance. This study will improve the understanding of fundamental physics of turbulent flames, and turbulent flame models as well.

由于火焰与湍流场的相互作用，从物理机理方面而言湍流燃烧的主要挑战性在于如何更好地对这种相互作用合理地刻画；更具体地说，如何将这种相互作用定量化，如何定义火焰与流动的尺度与场特性。这是理解湍流燃烧物理与发展模型的重要课题,但已有的工作十分有限。一般局限于定性的描述与常规的局部（或点）统计，这使得很多重要的湍流燃烧物理不能深入理解。本研究课题将针对于湍流预混与湍流扩散火焰中的若干核心问题从理论,数值模拟及分析的角度做深入探讨，将流场的非局部影响定量刻画，研究湍流火焰统计特性的合理的定量统计描述，湍流火焰速度对湍流场的定量依赖关系及湍流火焰边界的特殊行为等重要问题。这项工作将更好地理解湍流火焰的基础物理，并尝试改进与发展湍流燃烧模型。

湍流燃烧中的核心问题是火焰与流动及边界的相互作用。在高强度湍流中由于受局部强耗散影响，火焰面会出现破碎、褶皱及熄火等复杂行为。另外在有限空间中，壁面条件会导致近壁火焰的特殊规律。本研究课题针对这些很有挑战性的问题，深入探讨了湍流火焰在不同尺度下的相似行为，流场的涡结构与火焰与壁面的相互作用。主要结果总结如下：1）通过发展新的数据分析方法，例如涡线元结构，multi-level segment analysis方法等对湍流燃烧中的基础物理有了进一步的认识，包括涡场与拟涡场的特性对比，多层次多尺度特性的提取等；2)通过对湍流非预混火焰DNS结果的分析，发现了火焰结构中的标度率行为，并且将层流flamelet方程推广到了在大涡模拟框架下的湍流flamelet方程；3）分析了火焰与壁面的相互作用及其对湍流结构的影响，系统研究了绝热壁面，等温冷壁面等不同边界条件下湍流火焰燃烧速度、湍流火焰厚度、湍流火焰膨胀度、湍流燃烧后温度以及湍流火焰燃烧机制的变化。这些重要的基础工作对理解湍流火焰，火焰模型的发展都具有奠基性的意义。由此可能发展出新的湍流燃烧计算模型/子模型，从而为工程预测做出应有的贡献。