近日，燃烧学领域权威期刊《Combustion and Flame》(影响因子：5.767)刊发了低碳燃烧团队在富氧燃烧火焰大涡模拟方面的最新研究成果：“A species-weighted flamelet/progress variable model with differential diffusion effects for oxy-fuel jet flames”。

        由于高浓度的CO₂以及降低的氧化剂与燃料的动量比，富氧燃烧中燃烧不稳定性是制约富氧燃烧技术开发和工业应用的关键难点。基于火焰面进程变量(FPV)模型的大涡模拟能够以可接受的代价获得湍流燃烧的非定常特性，是燃烧不稳定性研究的一种重要方法。但现有的湍流燃烧模型多是基于均一扩散假设，无法正确体现富氧燃烧过程中CO₂等气体的差异扩散导致的燃烧不稳定性。本文提出了一种组分加权FPV模型(SWF)，包括均一扩散火焰面库和差异扩散火焰面库，模拟中采用实时组分加权获得查表参数。对美国桑迪亚国家实验室的富氧射流火焰(Sevault et al. Combust. Flame 159 (2012) 3342–3352)开展了大涡模拟， SWF模型预测的平均温度和组分质量分数与测量结果一致，只在主反应区有轻微的偏差(<6%)，而忽略差异扩散的FPV模型预测的火焰完全熄灭。如图1所示，差异扩散在反应区和燃料喷嘴附近的区域起着重要作用，随着火焰高度的增加，影响减少。SWF模型能够考虑H2的优先扩散以及CO₂的惰性扩散，同时兼顾了湍流扩散和分子扩散的影响，很好地捕捉了富氧燃烧中的多扩散特性，预期对各种低碳燃料的燃烧数值模拟都具有一定的适用性。

图 1. 大涡模拟中x/D<10瞬态云图。(a) 释热率、涡量与温度云图；左侧封闭白色实线为涡量等于300000 s-1等值线，右侧开放白色实线为理想混合分数；(b) 扩散云图，白色实线为CO2质量分数等值线，黑色等值线为H2O质量分数等值线

        该论文的第一作者为蒋旭东博士生，通讯作者为郭军军博士。该工作得到了国家自然科学基金项目(51906075)、国家重点研究计划(2019YFE0100100)、武汉超算中心的计算资源支持和沙特阿卜杜拉国王科技大学的支持。

        论文链接：https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2023.112674