三维效应对超声速湍流燃烧流动大涡模拟的影响研究

本文对空间发展Mac=0.61超声速湍流燃烧混合层流动开展了二维/三维大涡模拟（LES）研究，探讨了三维效应在超声速湍流燃烧流动的大涡模拟中的重要性。研究发现，相较于三维LES计算结果，二维LES大幅低估了超声速湍流燃烧混合层的增长率，湍动能的二维LES结果显著偏大而雷诺剪切应力显著偏小。因而，二维LES难以准确模拟超声速湍流燃烧混合层的增长率和湍流脉动特性。二维流动中漩涡拉伸、压缩机制失效，致使二维LES的漩涡结构与三维LES结果显著不同：二维LES计算所得流场呈现清晰的旋涡生成、发展、并对和破碎等演化现象，而三维LES的湍流结构呈不规则状。湍流与燃烧间存在强烈的耦合相互作用，由于二维LES难以准确模拟湍流特性，燃烧场进而在二维LES下呈现一系列特殊的、不同于真实燃烧流动情况的数值现象。漩涡运动带动燃料和氧化剂掺混，掺混界面为火焰前锋。由于漩涡结构不同，致使二维LES的火焰前锋面面积不同于三维LES结果，导致其难以获得准确的燃料效率，最终导致二维LES计算获得的统计平均火焰温度显著偏低。