高速气流中涡涡相互作用强化油气掺混与燃烧的基础研究

In order to increase the combustion efficiency in the high-speed fluid, a new composite flameholder with a bluff body and a swirler was put forward by applicant. Whether the composite flameholder can be successfully used as flameholder in the high- speed fluid or not depends on its drag and flameholding ability, which requires less drag and better flame stabilization. These characteristics intimately relate to the abscission of bluff body vortex and the coherent structure of large vortex after the composite flameholder, which numerous questions have been remained. The focus of present application is to simulate and measure the abscission of bluff body vortex and the coherent structure of large vortex after the composite flameholder using the numerical and experimental methods, and to analyze the mechanics of the flame stabilization. During the research, two key scientific questions must be settled. One question is to study and analyze the unsteady flow after the composite flameholder. Another question is to study the mechanics of the atomization and miscibility of the oil-gas. Therefore, the new measuring methods need be developed. The research aim of the present application is to provide the basic theory and design parameters for the engineering application of the new composite flameholder in the high- speed fluid.

高速气流中钝体稳燃器和旋流器相结合的组合燃烧稳定装置能否成功地用来稳定和强化燃烧，两个重要判别指标分别是阻力特性和火焰稳定性，即要求总压损失尽可能小的同时，实现高速条件下的火焰稳定与燃烧强化。组合燃烧稳定装置的火焰稳定性能和阻力特性与钝体稳燃旋涡的脱落以及尾流中具有大涡尺度的拟序结构密切相关，目前对这方面的认识还十分欠缺。因此，本申请的重点是采取数值模拟和实验研究来解析钝体尾迹的拟序结构和旋涡脱落动力学机制，并对其火焰稳定机理进行分析。在研究过程，需要着重解决两个关键科学问题：1）如何有效识别钝体稳燃旋涡的脱落以及对尾流特征的影响，获得影响火焰稳定与阻力特性的旋涡脱落动力学机制与尾流拟序结构特征；2）如何能够有效识别燃油在涡涡相互作用下的雾化与掺混机理。这些研究的目标旨在为组合燃烧稳定装置的优化提供基础理论支持和基础数据，并为工程应用打下基础。

钝体是一种高速来流条件下用于稳定燃烧的重要且常见的结构，钝体绕流问题也是黏性流体力学研究领域一个经典问题，涉及到钝体表面边界层流动分离、旋涡脱落和下游尾流大涡尺度的拟序流动等多种非定常流动机制，受到国内外学者的广泛关注。其中，钝体绕流阻力特性和火焰稳定性能与钝体绕流旋涡脱落及尾流中具有大涡尺度的拟序结构密切相关。在本课题研究中，我们提出了钝体稳燃器和旋流器相结合的钝体-强旋组合高速气流燃烧稳定方案，并针对钝体-强旋组合结构绕流的旋涡脱落机制及尾流中由钝体绕流脱落涡和旋流器生成的旋涡之间的相互作用做了详细研究，同时对其火焰稳定机理进行了分析。首先，我们针对钝体绕流尾流具有高湍流度、强非定常性和具有大涡尺度拟序结构的特点，建立了能够反映湍流多尺度特性的新湍流模型，并将其用于钝体绕流的单组分流动、两相流动和流动-传热耦合计算研究，获得了优于标准k-ε模型和SST k-ω模型的计算结果；利用多尺度湍流模型，我们开展了不同雷诺数下强旋-钝体组合单向和两相绕流旋涡脱落机制和尾流中涡涡相互作用强化油气掺混与燃烧的数值模拟研究；首次发现并研究了焓梯度强化旋流流动的规律；首次发现并研究了翼梢诱导-钝体脱落正交涡涡相互作用致驻涡的规律；在数值模拟研究基础上，我们设计搭建了一套钝体-强旋组合燃烧实验装置，对钝体-焓梯度强化旋流流动机制进行了实验研究，并找到了强旋-钝体绕流油气掺混与燃烧强化基本规律；同时，设计搭建了一套小型多功能可视化风洞，针对不同雷诺数范围（Re=1×10e4-2×10e5）的强旋-钝体组合绕流开展了实验研究，利用PIV、LDV、高频压力变送器等先进测试手段，在验证了前期计算准确性的同时，也基本探明了强旋-钝体组合绕流尾流区域非定常旋涡脱落机制和涡涡相互作用规律。