非稳态化学反应流大涡模拟的过程变量方法

小火焰模型是在大涡模拟中应用最广泛的燃烧模型，但无论是稳态小火焰模型还是非稳态小火焰模型都无法准确预测熄火后重燃等不稳定燃烧现象。基于小火焰模型的过程变量方法可以建立包含稳定燃烧解、不稳定燃烧解和完全熄火解的数据库，能够模拟非稳态燃烧现象。但是，过程变量方法中，非稳态化学反应过程的求解与标量耗散率的驰豫特性密切相关。标量耗散率的驰豫特性能否准确模拟是过程变量方法能否准确描述化学反应非稳态过程的关键。在众多理论方法中，只有MCA理论能够准确预测标量耗散率的驰豫过程。基于MCA推导出的耗散率模型，在均匀各向同性湍流混合中已经得到了验证。本项目提出，把基于MCA理论的耗散率模型与过程变量方法相结合。这种新的过程变量方法，不仅可以用于非稳态化学反应流动的计算，还能够保证非稳态过程的准确描述，为非稳态化学反应的大涡模拟的发展提供了一条新途径。

本项目提出了一种基于MCA理论的非稳态化学反应大涡模拟的过程变量方法。按照项目计划书的安排，按计划完成了研究内容，并针对函评专家的反馈意见将原内容扩充到了六项，在以下方面进行了更为深入的研究：1）发展并完善求解稳态小火焰方程的计算程序，同时也进一步发展了求解非稳态小火焰方程的计算程序。由于方程存在多解而且存在不稳定解，稳态小火焰方程不稳定解枝的求解是最为困难的。我们独立发展了稳态小火焰方程的求解器，并与P. Sripakagorn等人的结果进行了对比，计算结果非常吻合；2）明确耗散率模型对稳态小火焰方程的解集的影响。我们采用了两种耗散率模型：映射封闭模型和常数模型。结果显示，耗散率模型主要影响的是熄火点，在远离熄火点时，无论是对稳定燃烧解枝还是对不稳定燃烧解枝的影响都非常小；3）阐释了稳态小火焰模型无法模拟局部熄火和再燃的内在因素。通常的稳态小火焰模型舍弃了不稳定解枝，会导致化学反应速率的不连续分布，与Arrhenius律不符，从而无法模拟局部熄火和再燃。不稳定解枝可以填满了化学反应速率曲线中的不连续段，使化学反应速率与温度呈现出连续分布的特性；4）建立湍流部分预混燃烧的MRI模型。我们从连续的湍流时间尺度与离散的化学反应时间尺度之间的相互作用出发，提出了应用于部分预混湍流燃烧的MRI模型，并建立了MRI模型的火焰面数据库。使用MRI模型预测了基元反应的湍流部分预混燃烧过程，其结果与部分预混湍流燃烧的直接数值模拟结果非常吻合。与使用非预混的小火焰模型的结果相比，MRI大大改进了使用非预混模型近似部分预混过程的结果；5）详细反应机理无焰燃烧（MILD Combustion）的大涡模拟。我们相继构建了HM3、HM2和HM1火焰的详细化学反应机理（GRI-Mech2.11）过程变量方法数据库，并将过程变量方法与大涡模拟相结合，实现了整个系列三种火焰的详细化学反应机理的大涡模拟；6）采用优化方法尝试重新定义过程变量。我们使用优化方法重新确定过程变量的定义，在正庚烷/氢气与空气的反应中进行了验证。这种优化方法可作为过程变量方法的预处理，根据需要模拟的化学反应机理得出优化的过程变量的定义，再构建过程变量方法的化学反应数据库，从而应用于大涡模拟方法中。