多孔介質內湍流過濾燃燒的非平衡多尺度研究

《多孔介質內湍流過濾燃燒的非平衡多尺度研究》是依託大連理工大學,由解茂昭擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多孔介質內湍流過濾燃燒的非平衡多尺度研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：解茂昭

項目摘要

過濾燃燒,亦即多孔介質內的燃燒,是自然界和工程中廣泛存在的一種燃燒現象。其廣泛性和重要性絕不亞於普通自由燃燒。本項目通過理論分析、實驗測試和數值模擬三大手段，深入探索大孔隙率多孔介質中氣相湍流過濾燃燒的微觀機理和基本規律，用多尺度模擬方法探索過濾燃燒的非平衡、多尺度特性；研究多孔介質中彌散現象的機理及其與燃燒反應的相互作用，總結出彌散係數的計算方法；研究湍流對過濾燃燒火焰傳播及化學反應率的影響，釐清湍流輸運和彌散輸運之間的聯繫與區別，並建立過濾燃燒的湍流－彌散燃燒模型。本項目關於湍流過濾燃燒的火焰動力學的研究將在微觀層面上揭示已往被忽視的湍流效應對過濾燃燒的影響，形成比較系統的有關過濾燃燒的非平衡多尺度特性的新知識；建立多孔介質隨機結構及氣相過濾燃燒過程的比較完善的多尺度數學模型；提出對過濾燃燒進行有效控制的策略與途徑，為過濾燃燒在國民經濟和社會發展中的高效利用提供理論和技術儲備。

結題摘要

通過理論分析、實驗測試和數值模擬三大手段，對氣相湍流過濾燃燒的特性與機理進行了較系統深入的非平衡多尺度研究。研究工作達到了預期目標。主要完成的工作包括：建立了大孔穴率多孔介質複雜結構的幾何模型；進行了多孔介質內輸運特性及熱彌散現象的雙尺度模擬及機理研究，深入考察熱了彌散作用對多孔介質內湍流預混燃燒化學反應率的影響及其尺度相關性；開展了微尺度管道中流動及燃燒過程的直接模擬蒙特卡洛法（DSMC）模擬，完成了微米量級尺度下的燃燒模擬，開展了多孔介質中預混合燃燒溫度場和排放產物的實驗測試。項目獲得的主要成果有： （1）對低速反應流內化學反應熱與熱彌散之間的相互關係進行了系統的理論梳理，自行推導了含化學反應源項的多孔介質內非平衡熱輸運方程，並將其轉化為邊值問題進行數值求解，初步釐清了化學反應對熱彌散的影響，證明化學反應速率對彌散的貢獻與Thiele模數和Péclet數密切相關。 （2）根據孔尺度下湍流預混燃燒的數值模擬結果對尺度升級過程中涉及的本徵單元尺度和熱非平衡尺度進行了定性的計算。從數值模擬的角度對de Lemos提出的“本徵平均化學反應速率的封閉問題”給出了求解方案。初步的計算表明，尺度升級引起的質量彌散會對本徵平均化學反應速率的計算產生重要影響。 （3）根據體積平均理論推導出宏尺度湍流過濾燃燒反應進度變數方程，其中同時考慮了湍流對火焰的拉伸和扭曲作用以及固體基質冷壁淬熄的影響。通過對火焰傳播模式的劃分，使尺度升級的反應進度變數方程可以套用到湍流過濾火焰的數值計算中。 （4）採用直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法完成了微米量級尺度下的燃燒模擬，對其特性及有關參數的影響進行了系統的分析，總結出相關的規律。 本項目探明了氣相湍流過濾燃燒的特性與機理，為過濾燃燒在國民經濟和社會發展中的高效利用提供了必要的理論基礎和知識儲備。本項目範圍內共發表論文23篇，其中國際期刊論文11篇，SCI收錄9篇，EI收錄11篇，培養畢業博士2人、碩士3人。