富氢燃料输运特性及湍流尺度对预混湍流火焰动力学影响机制研究

Lean premixed hydrogen enriched fuels is the trend for future clean high efficiency energy system. Turbulent flame structure is the experimental foundation for the understanding of turbulence-flame interaction, and the development of turbulent combustion model. This project is focus on the fundamental study of the effect of transport property and turbulence scales on turbulent premixed flame structure and flame dynamics for hydrogen enriched fuels. The uncertainty of flame species measurement will be investigated, and the statistic parameters of the turbulent flame species structure will be derived based on laser diagnostic technique. Experimental statistic data with clear physic meaning will be provided for understanding the physic mechanism of turbulent combustion as well as the model validation. Turbulent flame structure and turbulent burning velocity of hydrogen enriched fuels will be obtained at wide range of pressure, hydrogen ratio, equivalence ratio, turbulence scales and energy spectrum. The interaction between turbulent flame structure scales, turbulence scales and flame scales will be analyzed. Turbulent flame propagation and turbulent burning velocity at high pressure and high turbulence levels will be measured, and the effect of transport property on turbulence-flame interaction at high pressure and strong turbulence will be studied. Turbulent combustion model for hydrogen enriched fuels will be developed. This study has an important academic value and can provide the experimental and theoretical guidance to the independent research and development of the combustor of advanced engines, including internal combustion engine, gas turbine and jet engine.

富氢燃料预混稀燃是清洁高效能源系统的发展趋势，湍流火焰结构是理解湍流与火焰多尺度作用机理，构建和发展湍流燃烧模型的实验基础。本项目围绕富氢燃料组分输运及湍流尺度对预混湍流火焰结构和动力学影响机理开展基础实验研究，揭示湍流火焰组分场测量不确定性，发展湍流火焰结构激光诊断和复杂标量场特征参数提取及统计表征方法，为湍流燃烧机理阐明和模型构建提供具有清晰物理意义的实验数据。获得宽广压力、氢气比例、当量比、湍流尺度和能谱下，富氢燃料预混湍流火焰结构特征参数和湍流火焰速率，阐明湍流火焰结构尺度、湍流尺度与火焰尺度及质热输运间耦合作用规律。获得高压强湍流下预混湍流火焰传播过程图像和湍流火焰速率实验数据，阐明高压强湍流下湍流与火焰相互作用机理，以及输运参数的影响机制。构建和发展适应宽广条件的富氢燃料湍流燃烧模型，为先进发动机燃烧室设计开发提供科学依据，提升我国在湍流燃烧实验和理论研究方面的国际影响力。

富氢燃料预混稀燃是清洁高效能源系统的发展趋势，湍流火焰结构是理解湍流与火焰多尺度作用机理，构建和发展湍流燃烧模型的实验基础。本项目围绕富氢燃料湍流与火焰相互作用机理，系统开展了湍流火焰结构测量不确定性和定量统计表征，湍流尺度与强输运拉伸火焰相互作用规律和机理，高压强湍流下输运特性对湍流火焰动力学影响机制研究工作。针对湍流火焰多尺度结构测量与表征难题，发展了网络拓扑湍流火焰结构表征方法，揭示了火焰结构特征参数与湍流火焰模态的关系。测量了高强度湍流下的详细湍流火焰结构，获得了分子扩散对预热区、反应区厚度的影响规律。发展了动态增厚火焰模型（Dynamic Thicked Flame model, DTF model）和火焰面查表代码（Flamelet Generated Manifolds, FGM），结合PIV/PLIF同步测量结合LES模拟研究了旋流火焰临吹熄火焰结构，阐明了临吹熄旋流火焰熄火机理，即火焰面过量拉伸，尤其是火焰根部，引起局部超过稀燃极限。利用高压定容预混湍流燃烧弹，发现了氢气层流火焰光滑传播、过渡加速、自相似加速的三阶段传播现象，测量了加速因子，提出了加速因子经验模型。发现了分子扩散效应即使在强湍流下仍然强烈促进湍流球形火焰自相似传播，揭示了分子扩散和湍流火焰拉伸的耦合作用促进局部燃烧强度和增加火焰面积的机理。测量了富氢混合气层流/湍流火焰自相似加速传播过程，界定了自相似加速传播三阶段，阐明了质热扩散不稳定性、火焰厚度对加速传播特性的影响规律。.在燃烧与能源国际权威期刊发表了项目第一标注期刊论文22篇，其中SCI收录国际期刊论文18篇，中文核心期刊论文4篇，国内外邀请报告7次，授权发明专利3项，软件著作权1项。培养博士研究生3名、硕士研究生3名。在项目研究基础上，参与了重大研究计划-面向发动机的湍流燃烧基础研究集成项目，部分研究成果开展了工程示范。