龙卷旋涡与燃烧的相互作用及能量效应研究

本项目以深化节能减排、开发新能源为背景，研究在中心区具有动态真空度、旋流动能密度高的特殊旋涡- - 龙卷旋涡的特性，与燃烧火焰的相互作用和由此出现的能量效应。这些过程具有普遍性、重要性和特殊性，而有必要开展深入的探究。拟通过实验观测、数值模拟和理论分析，达到如下目标：(1) 提出龙卷旋涡射流的形成和热强化的机制和条件；(2) 揭示在龙卷旋涡的作用下，燃烧性能与污染物生成的质变规律；(3) 探索借助于龙卷旋涡的强化来提取真空零点能的量化条件。研究将为深化龙卷旋涡燃烧规律和提取真空能的认识，促进燃烧与能源学科发展，实现能源的高效清洁利用、节能减排和开发新能源提供重要的理论依据。

本项目以深化节能减排、探索新能源为背景，研究具有中心动态真空度高、旋转强度大的龙卷旋涡气动特性及其与火焰热环境的相互作用机理，为寻求用流体力学方法获取真空能的有效途径提供理论依据。.从理论分析、实验及数值模拟三方面进行了如下研究：.(1) 对涡动力学、龙卷风形成机制、旋射流、Ranque-Hilsch效应、表征冷热气流相互作用的克罗克定理等进行了文献调研和理论分析；.(2) 设计了锥型、圆柱型和带有曲线进气道的一系列旋涡发生器——旋射管，；.(3) 在小型热态实验台上，测量了不同进气压力下的旋涡射流真空度场、温度场和速度场；.(4) 对旋涡射流进行了大涡模拟（LES）；.取得如下成果：.(1) 探明了形成龙卷旋涡的必要条件：在旋涡中心产生极高的动态真空度，轴向涡和周向涡并存，存在径向能量梯度，旋涡射流呈漏斗形态，旋涡在边界处与环境气流有极高的速度滑移；充分条件是进气压力提高有利于增大压力能向旋转动能转化的比例；.(2) 揭示了龙卷旋涡以极小张角自约束在有限空间范围的机理，即中心真空产生的径向压力梯度与强旋产生的离心力之间保持平衡，气流压缩性导致的高密度产生旋涡气密性，边界滑移削弱流动的粘性耗散；.(3) 揭示了龙卷旋涡真空度呈“火山口”状非均匀径向分布、指数型轴向衰减、单峰状径向能量分离规律、涡核区的刚性涡特征以及轴向自模化特性；.(4) 提出了3D兰金涡模型，对原有平面旋涡模型进行了修正；.(5) 分析了流体力学克罗克定理中旋涡涡量与热焓梯度的关系，以及该定理的适用条件，提出提升旋涡切向雷诺数Ret、强化边界滑移的旋涡热强化途径。.(6) 对新型高效G-Y湍流模型适用性进行了2D检验，并与商用软件平台FLUENT耦合，有望实现3D可压缩湍流的准确模拟。