1 国外燃烧火焰数值模拟大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)可以精确捕捉到较小的湍流涡，它们的优点 十分明显即相较于其他的数值模拟方法具有较高的精度，但同时这两种数值模拟方法 缺点也很明显，因为模拟的结果十分精确，它们具有非常庞大的计算量，对于计算机 计算能力的要求很高，在工程的实际应用目前并不多见。83978

大涡模拟方法最早是由气象学家 Smagorinsky 提出并应用在天气预报问题的研宄 中[2]。Deardorfff[3]随后使用该方法模拟了槽道流动的情形,开始了具有工程意义的研究[4]。近代科学史上，更是有许多科学家在湍流流动的研究方面进一步发展了大涡模拟理论。我国对大涡模拟理论的研究是在前人大量成果的基础上进一步发展，目前在很 多领域已经取得了很大的成功，不管是基础研究还是实际应用，我国都已经取得了众 多成果。清华大学的苏铭德使用大涡模拟的代数模型计算了平直槽道、弯曲槽道以及 纵向弯曲壁面边界层中湍流流动[5]；浙江大学的樊建人等人使用大涡模拟方法对三维 气固两相射流展幵展开研宄[6]；清华大学周力行等人针对湍流燃烧及两相流动方面均 展开大润模拟研究,并提出了二阶矩亚网格燃烧模型[7]。论文网

直接数值模拟不引入任何湍流模型,直接数值求解三维非定常 N-S 方程[8]。这种数 值模拟方法能够提供非常详细的湍流信息，甚至能把每一个时刻的信息都能完整提供 出来,由此可以把流场结构精确反映出来。直接数值模拟是一种不可缺少的研究手段, 自身反映信息精准的同时还可以与实验结合，从理论上验证研究结果的准确性,这使得 直接数值模拟成为对于湍流研究领域中的一种重要的研究手段。美国 NCAR 的 Orszag 和 Patterson 在 1974 年进行了最早的直接数值模拟,他们对使用 Taylor 微尺度定义的雷 诺数为 35 的均勾各向同性湍流进行了计算[9]。经过前人的不懈努力，如今研究人员已 经从大量实验中提取了数据，使湍流的数据极大汇总，在进行新的湍流研究时可以有 参考对照的数据库，与实验结果互为补充,帮助研究者们更快的研究湍流结构的细节， 对湍流的研究工作具有很大的推进作用。

采用数值模拟研究火焰的燃烧特性,是一种稳定安全且精确度较高的研究方法。在 湍流燃烧中,湍流的物理流动过程和化学反应过程是互相影响和关联的，物理流动条件 的改变能够间接影响化学反应速率，与此同时，化学反应程度的强弱也时时刻刻影响 着湍流流动的物理条件，对于湍流流动的定量描述也是湍流燃烧研究领域中的一个重 要问题。

Barlowrs 实验研究了 CO/H2/N2 的混合燃烧,发现湍流燃烧中的扩散效应小于层流 燃烧[10]。Cabrar 设计了一个实验用的同轴 H2/N2 燃烧器,利用拉曼-瑞利激光诱导荧光 方法对氢气燃烧进行实验研究[11],测定了不同界面各组分的含量以及火焰形态并和模 拟结果进行了对比,模拟结果和实验结果吻合较好。Myhrvoldt 对 H2/N2 的同轴燃烧进 行了数值模拟[12],发现火焰稳定于化学反应与湍流小尺度混合的平衡点。Luo Kun 利用DNS 方法研究了 H2 火焰的结构以及燃烧特性[13],数值结果与实验对比较好。

2  湍流燃烧模拟理论

现实的燃烧案例中，很多情况下属于湍流燃烧的范畴，这些燃烧中流体通常具有 比较高的雷诺数。湍流是一个很复杂的三维问题，研究湍流要同时对很多不同尺度进 行计算分析，这对计算机的数据处理能力十分优越，在现今是很难突破的技术难题， 这表示用流体力学的方式完全解析出来是基本行不通的，于是在湍流问题的计算中, 通常会用到统计和近似的方法[14]。最常用的方法之一是雷诺在 1883 年提出的对控制 方程和湍流量进行平均的方法——Reynold AveragedNavier Stokes(RANS)。