多重梯度耦合作用下同轴射流火焰逆梯度输运机理研究

This project conducts theoretical and experimental investigation on the phenomena of counter gradient transport (CGT) in coaxial jet flame driven by multiple gradient coupling, in view of the insufficient development of CGT modeling. The key scientific issue to be resolved is to understand the mechanisms of multiple gradient coupling on CGT in coaxial jet flame, based on the synchronized measurements by laser induced phosphorescent imaging (PhI) technique. Firstly, the abrupt parameters or intermittency phenomena in ignition, local extinction, and reignition processes will be diagnosed by PhI technique to clarify the physical scales and features of turbulent flame. Secondly, the CGT formulation, transformation and discrimination will be explored to recognize the turbulent transport and flame propagation in coaxial jet flame driven by multiple gradient coupling. Finally, the mathematical description and physical model will be established to support the investigation on turbulent combustion by CGT characterization after numerical validation. Through the implementation of this project, the expected breakthrough progresses in turbulent flame model and laser measurement technique are of great academic importance in the improvement of modeling on counter gradient transport in coaxial jet flame. The achievements are also beneficial to promote the progresses in multiphysics coupling, such as engine combustion and its control, energy conservation, emission reduction, exhaust heat utilization and conflagration, and the development of interdiscripline.

本项目针对湍流火焰逆梯度输运特性建模发展的不足，从多重梯度耦合作用下的同轴射流火焰入手，开展逆梯度输运现象的理论分析和试验研究，采用多参数同步测量的激光诱导磷光成像分析方法，拟解决关键科学问题：多重梯度耦合对同轴射流火焰逆梯度输运的作用机制。①采用激光诱导磷光成像分析方法，诊断点火、局部熄火与再燃等参数突变或间歇性现象，明确湍流火焰的物理尺度和特征；②探索逆梯度输运的生成机制、判别准则和转化过程，认知多重梯度耦合作用下的湍流输运和火焰传播过程；③建立体现逆梯度输运的数学描述和物理模型，并进行适用性验证和数值分析，为探索湍流燃烧机理提供技术支撑。通过本项目研究，在湍流火焰物理模型和激光测量技术方面取得突破性的进展，对于现有物理模型在问题描述上的完善具有非常重要的学术价值，相关成果有利于推动发动机燃烧及其控制、节能减排、废热利用和火灾等多物理场耦合领域的技术进步以及交叉学科的发展。

1、本项目瞄准国际燃烧前沿的逆梯度输运问题，主要研究进展由以下要点构成：.（1）多重梯度耦合作用下的同轴射流火焰逆梯度输运机理：在TFC模型基础上，通过准一维分析与数学变换，提出了流场逆梯度输运最强位置的预测方式，为实验条件下逆梯度输运的表征提供理论依据。以甲烷值班扩散火焰为研究对象，利用 LES 方法进行数值模拟，探究了非预混火焰中逆梯度输运现象的产生机理及影响因素。通过可压缩湍流混合层流动数值计算，得到了混合层流动中动量逆梯度输运区域的分布与发展情况，分析了流场中CGT的出现原因及变化情况。.（2）同轴射流火焰的激光诱导磷光成像分析研究：实现了磷光示踪材料的评估与选取，建立了磷光寿命与温度变化的对应关系，获得了磷光粒子光学特性随时间的衰减变化率及其与环境温度之间的静态校测曲线。在MATLAB平台实现了基于图像重建算法与光流法的混合图像处理方法，包括基于互相关方法的计算模块、图像位移重建模块及光流法模块。设计了利用紫外平面激光诱导固态粒子磷光的同步测速和测温方法，可以实现多物理场测量，经济成本低且具有高时空分辨率。提供了一种大梯度伴流射流火焰燃烧器，有利于高精度高分辨率的定量化测试技术的实现。利用深度网络进行了基于图像的火焰检测及层流湍流火焰分类，为其进行更为复杂的图像识别任务展现了前景。.（3）湍流输运模型的同轴射流火焰适用性验证和数值分析：数值模拟了Volvo燃烧器和Moreau燃烧器，并选取不同流向位置处的温度和火焰进度变量分布与实验值进行对比验证，计算值与实验值吻合较好。针对超声速分隔受限反应混合层，研究了壁面扰动和来流的流动梯度对于流场结构和燃烧组织的影响。通过对于Evans燃烧器的燃烧喷管壁厚、来流条件的研究，确定了燃油壁面造成的扰动和来流流体压力速度不匹配条件对流动和燃烧结构的影响。.2、主要研究成果包括：国内外期刊与会议发表论文18篇，其中SCI收录6篇、EI收录3篇。授权专利3项。培养硕士研究生8名。.3、本项目针对湍流输运和湍流火焰研究进行了合理、可靠、高效的建模、验证和分析，有助于认识湍流输运过程对于梯度耦合进行响应的本质和机理，并推动发动机燃烧及其控制、节能减排、废热利用和火灾等多物理场耦合领域的技术进步以及交叉学科的发展。