激波誘導火焰失穩和湍流化的隨機渦模擬及機理研究

《激波誘導火焰失穩和湍流化的隨機渦模擬及機理研究》是依託南京理工大學，由董剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：激波誘導火焰失穩和湍流化的隨機渦模擬及機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：董剛
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

激波誘導火焰失穩進而導致其湍流化的過程，是超聲速燃燒和工業爆炸災害領域的常見現象，它涉及一系列複雜的物理化學過程，其研究必須考慮湍流、激波和化學反應之間的非線性相互作用過程，而這些作用至今尚未被完全認識。本項目擬將基於隨機渦概念的亞尺度模型植入可壓縮流的大渦模擬數理模型中，對激波誘導火焰失穩和湍流化過程進行數值模擬，其中隨機渦方法具有描述真實湍流和低維度小計算量的獨到優點，尤適於該過程研究；採用高時空分辯率的光學可視化實驗和其它實驗結果定量和定性地驗證和改進模型；探討激波作用下火焰失穩變形、湍流產生和發展、流場奇異波和熱點等現象的產生和發展機理。上述研究內容可以發展用於可壓縮流的新型湍流燃燒模型，並根據結果深入探索激波誘導火焰失穩和湍流化過程的動力學演化機理，因此不僅具有重要的理論意義，而且還對超聲速燃燒發動機的燃燒室設計、工業爆炸災害的認識和防治有著重要的實踐意義。

結題摘要

激波誘導火焰失穩和湍流化的過程在超新星爆炸、工業爆炸災害和超燃推進等現象和領域中普遍存在，本項目以此為背景，採用基於隨機渦模型的數值模擬方法對其中涉及的複雜現象和規律進行了研究。主要內容包括：激波誘導惰性球形界面失穩的三維大渦模擬及機理研究；隨機渦模型的建立和套用；激波誘導球形火焰和湍流化的二維和三維數值模擬及機理研究；激波誘導火焰失穩的流動拓撲結構研究等。得到的重要結果包括：（1）惰性球形界面在入射激波誘導下可以形成渦環結構，並在反射激波的作用下逐漸失穩形成複雜的小尺度流向渦結構，因而促進了界面混合的過程；（2）建立了變密度隨機渦模型，並以此作為亞尺度模型成功套用於激波誘導球形火焰失穩及其湍流化的大渦模擬中，數值模擬結果表明，在入射激波作用階段，物理過程主導了火焰的發展，在反射激波作用階段，化學反應主導了火焰的發展過程，激波誘導火焰失穩有利於已燃氣/未燃氣之間的混合併促進湍流燃燒的進行，但燃燒的增強反過來會抑制混合過程；（3）在反射激波作用下，較強的激波和較高的反應活性會促使失穩火焰形成反應性激波分歧（RSB）結構（又稱“奇異波”結構）並引發爆轟，儘管爆轟引發的時空特性強烈依賴於流場的複雜結構並具有一定的隨機性，但爆轟引發遵循激波誘導的熱點爆炸機理；（4）失穩火焰的流動拓撲研究表明，波後流場中失穩火焰主要表現出不可壓縮的流動特性，火焰區應變結構和旋轉（渦量）結構的比例大體相當。上述研究發展了用於可壓縮流的湍流燃燒模型，深入探討了激波誘導火焰失穩和湍流化過程的動力學演化機理，研究成果不僅具有重要的理論意義，而且還對超聲速燃燒發動機的燃燒室設計、工業爆炸災害的認識和防治有著重要的指導價值。