Application of Helmholtz-Hodge decomposition and conditioned structure functions to exploring influence of premixed combustion on turbulence upstream of the flame
为了探索燃烧诱导热膨胀对湍流的影响，引入了一种新的研究方法。该方法包括联合应用亥姆霍兹-霍奇分解和条件结构函数来分析湍流速度场。该方法所提供的机会，证明了使用它来处理直接数值模拟数据获得较早的两个统计一维，平面，充分发展，弱湍流，单步化学，预混火焰，其特征在于两个显着不同的（7.52和2.50）密度比，与所有其他的东西是近似相等的。为了强调燃烧引起的热膨胀对预混火焰上游未燃混合物的湍流的影响，分析的重点放在两点处的未燃混合物的结构函数上。两种分解技术，即（i）一个广泛使用的正交亥姆霍兹-霍奇分解和（ii）最近推出的自然亥姆霍兹-霍奇分解，进行了探讨，使用它们得到的结果是相似的，在最大的部分计算域的入口和出口边界附近的狭窄区域除外。计算结果表明，燃烧引起的热膨胀可以显著改变预混火焰上游未燃混合物的湍流，其方式是产生各向异性的位流速度脉动，其空间结构与来流湍流的空间结构有很大不同。这种潜在的速度波动的幅度是大于螺线管的速度波动的幅度在最大的部分的平均火焰刷的情况下的高密度比。在低密度比的情况下，后者的幅度是更大的无处不在，但这两个幅度是可比的，在中间的平均火焰刷。
2020-07-16 physics.flu-dyn
Flame Modelling of Premixed Ammonia Combustion in Swirl Burner using LES
本文利用大涡模拟研究旋流燃烧器中预混NH3/H2/空气燃烧，考察混合比、点火条件和流动动力学对火焰特性的影响，并给出兼顾热效率与NOx排放控制的最佳运行条件。
2024-08-10 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Stoichiometry preservation and generalization of Bilger mixture fraction for non-premixed combustion with differential molecular diffusion
本文研究非预混燃烧中混合分数的化学计量保持性，提出一类单参数广义混合分数定义，并优化得到比 Bilger 定义更优的混合分数，同时推广至含氮、含硫燃料。
2025-09-22 physics.flu-dyn
HiPrFlame-An ab initio based real-fluid modeling approach for high-pressure combustion-I. Rationale, methodology, and application to laminar premixed flames
针对高压燃烧中真实流体效应预测精度不足的问题，提出基于从头算的HiPrFlame框架，整合三阶维里状态方程与Enskog理论，结合神经网络代理模型，在氢燃烧案例中显著优于传统方法。
2025-09-08 physics.flu-dyn
Inlet temperature driven supercritical bifurcation of combustion instabilities in a lean premixed prevaporized combustor
本文报道了由空气入口温度（Ta）触发的燃烧不稳定性的超临界分叉的实验观察和分析。这些研究是在高温下运行的加压煤油燃料贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室中进行的。与以前的一些研究不同，从系统的不稳定状态开始，当Ta超过临界值Ta =570 K时，燃烧不稳定性的幅度突然减小。当温度降低时，系统返回到不稳定状态，而没有任何滞后行为，正如在超临界分叉的情况下所预期的那样。不稳定火焰具有周期性的轴向升离和重燃运动，其特征为Helmholtz模式。发现化学发光信号和压力信号之间的相位差随着Ta而增加，对于高于570 K的温度超过90度（异相）。低阶网络框架进行，说明当Ta增加时，该模式的稳定性转移的预测在Ta附近570 K，与实验观察结果吻合良好。Ta对喷雾特性的影响也进行了研究，发现较高的Ta促进燃料蒸发，减少旋流器出口处的当量比波动。
2021-03-01 physics.flu-dyn
Modeling pressure effects on the turbulent burning velocity for lean hydrogen/air premixed combustion
我们调查和模型的压力对湍流燃烧速度在很宽的压力和湍流强度的直接数值模拟（DNS）的统计平面湍流预混火焰贫氢/空气混合物。DNS的结果表明，拉伸因子的湍流燃烧速度和火焰表面面积的影响，在升高的压力。特别是，在高压下的增强拉伸因子增加了湍流和层流燃烧速度的比率，减少了“弯曲”效应。基于湍流和层流燃烧速度与火焰拉伸之间的良好一致性，采用由层流火焰数据形成的查找表来模拟不同压力下湍流火焰中的拉伸因子。结合拉伸因子和火焰表面积的子模型，建立了湍流燃烧速度的预测模型。模型预测和DNS结果之间的整体良好的协议表明，所提出的模型是能够定量预测的湍流燃烧速度在很宽的范围内的压力和湍流强度均匀各向同性湍流。
2019-11-25 physics.flu-dyn
Flame- and flow-conditioned vorticity transport in premixed swirl combustion
本文介绍了在Karlovitz数为20-50的预混旋流燃烧中火焰诱导涡度拟能输运的实验分析。这样的火焰形成了一个大尺度的压力场，除了与小尺度湍流涡旋相关的压力场之外，它还可以与密度梯度相互作用，产生斜压扭矩。同时层析粒子图像测速和甲醛平面激光诱导荧光测量被用来获得高分辨率的速度和渐进变量场。这使得统计评估的各种条款拟能运输方程。小规模和大规模的压力梯度的影响进行评估，通过调节斜压扭矩的瞬时火焰前内的流体的位置，在火焰刷，轴向燃烧器内。在所有的条件下研究，斜压扭矩是一个显着的贡献涡度拟能运输，具有相当的幅度涡拉伸和粘性扩散。涡度拟能衰减和斜压扭矩的产生倾向于分别发生在瞬时火焰表面的反应物和产物侧。然而，斜压扭矩的值同样强烈地依赖于燃烧室中的位置。因此，小尺度和大尺度气压场都可以通过斜压扭矩导致显着的涡度拟能变化。这证明了火焰诱导的涡动力学在旋流燃烧中是重要的，并且大尺度几何形状相关的流场可以影响火焰产生的湍流。
2020-06-17 physics.flu-dyn
Lagrangian formulation of turbulent premixed combustion
采用拉格朗日方法研究了湍流预混燃烧。燃烧产物的体积分数的演变是由雷诺输运定理。它出现的燃烧质量分数是由湍流粒子运动，火焰前锋速度，火焰前锋的平均曲率。连接颗粒湍流分散和火焰前锋速度的物理要求是从相等的火焰前锋的进展和未燃颗粒蔓延的膨胀率。由此产生的描述与实验数据相比，毫不逊色。在零曲率火焰的情况下，与非马尔可夫抛物线模型的湍流扩散，制定产量的Zimont方程扩展到所有经过的时间，并完全由湍流特性。计算和分析了扩展的Zimont方程的精确解，得出了不同的区域。
2011-07-28 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
An SMLD joint PDF model for turbulent non-premixed combustion using the flamelet progress-variable approach
本文提出了一种改进的火焰面/过程变量（FPV）模型，用于湍流燃烧的模拟。该模型采用统计最似然分布（SMLD）方法计算混合分数Z和过程参数Λ的联合概率密度函数（PDF）。建立了稳态FPV模型，假定Z和Λ的联合PDF的函数形状，以计算热动力学量的Favre平均值。混合物分数被广泛假设为一个被动标量的单峰行为建模的\b{eta}分布。此外，在Z和Λ统计独立的假设下，联合PDF与两个边缘PDF的乘积一致。在这项工作中，我们讨论这两个构成的假设。所提出的模型评估Z和Λ的最可能联合分布，放松了对其统计行为的一些关键假设。这为FPV方法提供了一个更通用的模型，并为验证广泛使用的假设的适当性提供了一个有效的工具。该模型与著名的测试用例，即，桑迪亚火焰的实验数据进行了验证。的结果也进行了比较，通过标准的FPV方法，分析的PDF函数形式的湍流燃烧模拟的作用。
2015-04-20 physics.flu-dyn
A new compact active turbulence generator for premixed combustion: Non-reacting flow characteristics
一种新的紧凑型主动湍流发生器的开发，测试和表征，这扩展了这种发电机用于湍流预混燃烧研究的能力。发电机由两个类似于两个蝴蝶结形状的叶片组成。热线风速仪和高速成像进行表征的非反应流产生的发电机和叶片动力学，分别。两个平均散装流速为5.0和7.0米/秒的检查。为了比较的目的，除了开发的发电机，测试也进行了自由射流以及一个和两个多孔板。计算结果表明，主动网格产生的中心线均方根速度脉动可达1.8m/s，比文献中的反应流脉动大几倍。对于新开发的装置，一维动能的幂律衰减分别为-1.0和7.0 m/s的平均总流速为-1.3。新开发的器件的归一化能量耗散率最小，而能量耗散率最大。对速度数据的频谱分析表明，主频率不等于叶片旋转频率;一维动能和耗散谱遵循-5/3和1/3幂律关系。结果表明，新研制的装置产生的小涡耗散湍流动能的速度比对应于其余的测试湍流发生器。
2022-07-08 physics.flu-dyn
Applying Physics-Informed Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks to Turbulent Premixed Combustion and Engine-like Flame Kernel Direct Numerical Simulation Data
Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心于利希超级计算中心）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
欠分辨流中的有限速率化学模型仍然是复杂构型预测模拟的主要挑战之一。如果涉及湍流，问题就变得更具挑战性。这项工作推进了最近开发的PIESRGAN湍流预混燃烧模拟方法。为此，调整了网络处理并在损失函数中考虑的物理信息，平滑了训练过程，特别是考虑了密度变化的影响。所得到的模型提供了良好的结果的先验和后验的直接数值模拟数据的完全湍流预混火焰核心。的建模方法的限制进行了讨论。最后，该模型被用来计算进一步实现的预混火焰内核，这是一个规模敏感的框架，就其周期到周期的变化进行了分析。工作表明，数据驱动的PIESRGAN子滤波器模型可以非常准确地再现直接的数值模拟数据上更粗的网格，这是几乎不可能与经典的子滤波器模型，并使研究统计过程更有效地由于较小的计算成本。
2022-10-28 cs.LG physics.flu-dyn
Effect of Inflow Turbulence on Premixed Combustion in a Cavity Flameholder
采用非连续Galerkin有限元程序JENRE，在飞行焓为5马赫的条件下，对弗吉尼亚大学超音速燃烧室凹腔火焰稳定器内的冲压式燃烧进行了高分辨率的数值模拟。先前的实验测量了空腔流入处的自由湍流强度，范围为10 - 15%。在这项工作中的模拟中，实现了一个合成的湍流流入发生器，以再现流入空腔的湍流。湍流流入边界条件产生的速度扰动和湍流强度与使用粒子诱导测速仪在设施中测量的值相匹配。模拟进行了有和没有来流湍流，研究湍流对火焰稳定性和结构的影响。在这两种情况下，都实现了空腔稳定火焰。流入湍流促进了更稳健的燃烧，导致火焰从空腔进一步传播到核心流中，相对于轴向流动方向扩大了火焰角。模拟得到的火焰角与实验结果和理论预测一致。确定了空腔的旋涡脱落频率。火焰应变率和压力波动的空腔剪切层也进行了测量，发现周期性变化的频率等于的旋涡脱落。在腔剪切层中的高流动应变率，驱动的旋涡脱落过程中，被确定为火焰拉伸和低OH浓度的火焰横穿腔坡道的原因。空间分辨率对模拟的影响进行了讨论，通过比较的情况下，使用二阶和三阶精度不连续伽辽金有限元。
2020-10-27 physics.flu-dyn
Hexane Air Combustion
热表面点火和随后的火焰传播预混正己烷空气混合物显示在这个流体动力学视频。高速纹影摄影揭示了三种不同的点火和传播行为作为混合物组成和初始压力的函数。
2010-09-29 physics.flu-dyn
Applying Physics-Informed Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks to Turbulent Non-Premixed Combustion on Non-Uniform Meshes and Demonstration of an Accelerated Simulation Workflow
Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
本文扩展的方法，使用物理信息增强的超分辨率生成对抗网络（PIESRGANs）的LES子滤波器建模在湍流与有限速率化学，并显示了一个成功的应用到非预混时间射流的情况下。考虑到需要更高效和碳中性的能源设备来应对气候变化，这是一个重要的话题。多个先验和后验的结果，并进行了讨论。作为其中的一部分，强调了底层网格对预测质量的影响，并开发了一种多网格方法。它演示了如何LES的基础上PIESRGAN可以用来预测的情况下，在雷诺数没有用于培训。最后，阐述了成功预测所需的数据量。
2022-10-28 cs.LG physics.flu-dyn
Impact of a split injection strategy on mixing, ignition and combustion behavior in Premixed Charge Compression Ignition combustion
采用无源光学和激光-光学高速诊断相结合的方法，研究了在预混合充量压燃（PCCI）相关条件下快速压缩膨胀机的混合、点火和燃烧行为。PCCI的概念是实现使用一个分裂的喷射计划，包括一个长期的基本负荷喷射和两个紧密分离的短喷射附近的上止点。先前的研究表明，在恒定的环境条件下，紧耦合双喷射的后续燃油喷雾的穿透率增加。然而，在瞬态发动机条件下，压缩冲程期间的密度上升抵消了来自前喷射的空气动力学增益。该研究证实，随后的燃料喷雾的混合速率显著增加。关于燃烧行为，热力学分析显示低温氧化反应对总放热的贡献大于20%，未燃烧燃料质量的显著量从25%变化到61%。光学数据的分析揭示了多维的影响，在当地的混合物场和点火动力学的操作参数的变化。低温反应性的第一个短喷射的发病被发现是由操作策略为主，而位置是强烈相关的本地混合状态。当前一喷射的上游低温反应性持续时，显著促进连续燃料喷雾的低温点火。同样，它表明，高温点火加速夹带持续上游低温反应。
2020-10-12 physics.app-ph physics.flu-dyn
Cross-scale turbulent kinetic energy transfer in the presence of coherent structures in premixed swirl combustion
本文实验分析了在湍流预混旋流火焰和无反应旋流中，放热和拟序涡结构对层流火焰厚度$δ^0_\mathrm{L}$附近跨尺度动能传递的同时影响。高分辨率层析粒子图像测速和甲醛平面激光诱导荧光测量被用来获得三维速度场和估计的进展变量和密度场。然后使用物理空间分析对穿过$Δ= 1.5 δ^0_\mathrm{L}$的过滤器尺度的动能转移进行定量。相干流结构被识别使用的旋流强度和适当的正交分解被用来识别占主导地位的周期性流动结构。虽然非反应区域的流量显示平均向下的能量传递（前向散射），平均后向散射观察到内部的火焰。重要的是，在火焰中的后向散射幅度增加的区域进行火焰/涡流相互作用。也就是说，在火焰和大规模相干涡流内的同时位置处的平均后向散射幅度高于火焰中的区域而不是涡流中的区域，平均后向散射幅度随着旋流强度而增加。这种增加的后向散射可能是由于火焰/涡流相互作用位置的局部较高的热释放速率。总体而言，结果表明，动能后向散射的重要性，在尺度周围的火焰厚度和后向散射和局部火焰/流动结构之间的复杂关系，这些结果应考虑在火焰中的湍流建模时。
2022-06-03 physics.flu-dyn
Premixed Flame Dynamics in Narrow 2D Channels
在小通道内传播的预混火焰表现出与传统尺度下的火焰传播不同的复杂燃烧现象。可用的实验和数值研究已经记录了固定/非固定和/或非对称模式，其取决于进入的反应物流的性质以及通道几何形状和壁温。目前的工作旨在阐明机制，导致破环和极限循环行为，这些燃烧模式的基础。具体而言，四种情况下的贫预混甲烷/空气燃烧-两个当量比（0.53和0.7）和两个通道宽度（2和5 mm）-研究在一个2D的配置与恒定的通道长度和批量进口速度，其中使用详细的化学进行数值模拟。外墙加热是通过施加一个线性的温度梯度作为边界条件的两个墙壁上模拟。在2 mm通道中，两个当量比产生的火焰在向上游传播后以对称的火焰前缘稳定。在5 mm通道中，火焰锋开始对称，尽管对称性在点火后几乎立即被破坏。此外，5 mm通道产生具有显著不同的极限环的不稳定燃烧模式：在较稀的情况下（λ = 0.53），不对称的火焰前缘周期性地跳动，而在较浓的情况下（λ = 0.7），观察到具有重复的燃烧和点火（FREI）的火焰。为了提供对负责火焰动力学的机制的见解，反应前沿和火焰前沿被捕获和区分。结果表明，火焰前缘对称性的损失起源于一个区域，其中负拉伸率接近火焰尖点显示大的梯度/曲率，因此，火焰破裂归因于流体动力学不稳定性。极限环行为是[…]
2016-08-01 physics.flu-dyn
Role of flame localization in wavemaker regions on the suppression of combustion instability in turbulent partially-premixed methane flames
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
本研究通过实验和线性稳定性分析，证实火焰与波发生器区域的空间重叠是旋流稳定燃烧室稳定性的关键，为低排放燃烧系统设计提供指导。
2026-10-01 physics.flu-dyn
Performance Evaluation of RANS-Based Turbulence Models in Predicting Turbulent Non-Premixed Swirling Combustion within a Realistic Can Combustor
Sant Longowal Institute of Engineering and Technology (SLIET)（桑蒂高瓦尔工程技术学院）；Indian Institute of Technology Roorkee（鲁尔凯印度理工学院）
本文通过计算流体动力学分析，评估了不同湍流模型对燃烧室中流动、热场和组分场的影响，发现SST $k-ω$模型在预测轴向速度、横向速度、湍动能和剪切应力以及温度和组分浓度方面表现更优，且能更准确地预测燃烧室中的回流区和旋涡核心。
2026-05-19 physics.flu-dyn
Analysis of near wall flame and wall heat flux modeling in turbulent premixed combustion
UM-SJTU Joint Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学密西根学院）；State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University（浙江大学清洁能源利用国家重点实验室）
研究近壁火焰与壁面热流的物理机制，通过直接数值模拟分析两种火焰配置，提出预测壁面热流的模型，验证其在湍流燃烧中的适用性。
2025-10-30 physics.flu-dyn
Non-linear simulations of combustion instabilities with a quasi-1D Navier-Stokes code
由于稀薄预混燃烧系统比非预混系统更容易受到燃烧不稳定性的影响，因此对能够以高精度预测燃烧不稳定性的发生的改进的数值设计工具的需求日益增加。燃烧不稳定性中固有的非线性可能是至关重要的，我们在这里提出了一种方法，其中一维Navier-Stokes方程和标量输运方程求解的几何形状的变截面。重点是附着火焰，并为此目的，一个新的唯象模型的不稳定的热释放从火焰前锋介绍。在附着火焰法（AFM）中，热释放发生在火焰的整个长度上。根据Ditaranto和Hals [Combustion and Flame，146，493-512（2006）]对氧燃料火焰中的热声不稳定性的实验研究的结果，验证了使用AFM方法的非线性代码。数值模拟结果与实验测量结果一致，准确地再现了共振声压模式的频率和振幅。
2010-08-30 physics.flu-dyn
Multi-Scale Turbulence Injector: a new tool to generate intense homogeneous and isotropic turbulence for premixed combustion
实验研究了多尺度引射器产生的近均质、各向同性、高度湍流流。这种多尺度喷射器由三块空间移动的多孔板组成，其孔径和阻塞比随下游距离的增加而增加。将多尺度湍流注入器（以下简称MuSTI）与单尺度湍流注入器（MoSTI）进行比较，后者仅由MuSTI的最后一块板构成。该比较是针对冷流和反应流进行的。对于冷流，它表明，与经典的单尺度注入器相比，对于MuSTI注入器：（i）湍流动能大约是两倍大，并且动能供应分布在整个尺度范围内。这是强调二阶和三阶结构功能。(ii)增强了动量和能量的横向通量，（iii）较早地达到均匀性和各向同性（$\approx 50$ %），（iv）射流合并距离是湍流的相关缩放长度尺度，（v）在均匀和各向同性区域中实现了高湍流强度（$\approx 15$ %），尽管基于泰勒微尺度的雷诺数保持中等（$Re_λ\approx 80$）。第二部分采用激光层析成像技术研究了多尺度生成的湍流与预混火焰前锋之间的相互作用。在湍流的均匀和各向同性区域中，在加热棒上稳定了贫V形甲烷/空气火焰。主要的观察结果是，火焰刷的厚度的增加证明了，火焰刷是大大放大与多尺度产生的注射器。
2010-04-01 physics.flu-dyn
The role of presumed probability density function in the simulation of non premixed turbulent combustion
小火焰进程变量（FPV）燃烧模型允许通过仅计算混合物分数Z和进程变量C来评估反应流中的所有热化学量。当使用这种方法结合湍流模型来预测湍流燃烧时，需要概率密度函数（PDF）来评估统计平均值（例如，法弗尔平均值）的化学量。PDF的选择是计算成本和精度水平之间的折衷。本文的目的是研究在非预混湍流燃烧模拟中PDF的选择及其建模方面的影响。考虑三种不同的模型：标准模型，基于Z的β分布和C的狄拉克分布的选择;采用Z和C的β分布的模型;使用Z的β分布和C的统计最可能分布（SMLD）获得的第三个模型。标准模型虽然被广泛使用，但没有考虑湍流和化学动力学之间的相互作用，以及进展变量不仅对其平均值而且对其方差的依赖性。SMLD方法建立了一个系统的框架，将信息从任意数量的时刻，从而提供了一个改进，传统的假定PDF封闭模型。三个PDF的选择背后的合理性进行了详细的描述，并测试了相应的模型的预测能力与众所周知的测试情况下，即，桑迪亚火焰，并提供了一个超音速燃烧的测试情况下，成。
2014-01-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Effect of an External Electric Field on the Propagation Velocity of Premixed Flames
对于电场通过作用于火焰中存在的离子种类来增强燃烧的能力，已有许多实验研究[1]。在这项工作中，我们研究这种现象，使用一维模型的贫油预混火焰的影响下的纵向电场。我们扩大了以前的两步链分支反应层流模型与反应模型的创建和消费的正电荷的自由基物种和自由电子。还包括在离子物种的守恒方程和静电形式的麦克斯韦方程组的电动势，以解决由外部施加和内部感应电场的离子传输。这些方程的数值解使我们能够计算由于电场引起的火焰速度的变化。此外，关键的动力学和传输参数的变化修改火焰的电灵敏度。从火焰速度和反应物分布的变化，我们能够获得新颖的，有价值的洞察如何以及为什么燃烧可以控制的电场。
2022-02-08 physics.flu-dyn
Towards large eddy simulations of premixed turbulent flames without a combustion model
本研究验证了预混湍流火焰大涡模拟中，直接计算火焰面密度所需分辨率远低于直接计算燃烧速率的假设，提出当滤波宽度与层流火焰厚度同量级时，无需亚格子燃烧模型即可准确预测火焰面密度，为简化大涡模拟燃烧建模提供依据。
2024-08-14 physics.flu-dyn
Computing supersonic non-premixed turbulent combustion by an SMLD flamelet progress variable model
本文介绍了美国宇航局兰利研究中心的超音速H2 -空气炉膛室的数值模拟，使用两种方法来模拟假设的概率密度函数（PDF）的火焰面进展变量（FPV）的框架。第一个是标准FPV模型，其建立假定混合分数Z和进度参数Λ的PDF的函数形状。为了提高该模型在高速反应流中的预测能力，提出了第二种方法，即采用统计最可能分布（SMLD）技术来假定Z和Λ的联合概率密度函数，而不对它们的行为作任何假设。采用低马赫数假设建立了标准模型和FPV-SMLD模型。在这两种情况下，通过求解总能量守恒方程来计算温度，为超声速燃烧的模拟提供了一种更合适的方法。通过与实验数据的比较，所提出的SMLD模型示出相对于标准FPV模型提供了明显的改进，特别是在自燃和稳定区域的火焰。
2015-09-23 physics.flu-dyn physics.space-ph
Graphics Processing Unit/Artificial Neural Network-accelerated large-eddy simulation of turbulent combustion: Application to swirling premixed flames
本文提出GPU求解偏微分方程与ANN替代反应速率相结合的GPU-ANN框架，用于旋流预混火焰大涡模拟，在保持CPU-DI精度的同时实现超过两个数量级加速。
2024-02-29 physics.flu-dyn
Assessing diffusion model impacts on enstrophy and flame structure in turbulent lean premixed flames
在湍流预混火焰中，质量的扩散输运发生在小尺度上。因此，多组分质量扩散，这是经常被忽略的直接数值模拟（DNS）预混燃烧，有可能影响湍流和火焰特性在小尺度。在这项研究中，我们评估这些影响通过检查拟能动力学和内部结构的火焰稀薄预混氢-空气燃烧，忽略二次Soret和Dufour效应。我们进行了三维DNS的这些火焰通过实施的Stefan-麦克斯韦方程组在代码NGA代表多组分的质量传输，我们模拟了统计平面贫预混氢-空气火焰使用混合平均和多组分模型。混合物平均模型低估的峰值拟能高达13%的火焰前锋。比较这些火焰的涡度拟能预算，多组分模拟产生较大的峰值幅度相比，在反应区的混合物平均模拟，在归一化的拉伸和粘性效应方面的差异为17%和14%。在火焰的超绝热区域，混合物平均模型高估了粘性效应高达13%。为了评估这些差异对火焰结构的影响，我们通过对标量梯度场的统计分析重建了湍流火焰的平均局部内部结构。基于这种分析，我们表明，粘性效应的巨大差异有助于显着差异的平均局部火焰结构之间的两个模型。
2022-02-25 physics.flu-dyn
An efficient flamelet progress-variable method for modeling non-premixed flames in weak electric fields
稳定燃烧和提高可燃极限是当今改进炉膛的强制性目标。为此，在火焰区域中使用电场提供了一种解决方案，该解决方案同时易于实施并且有效地改变火焰结构。本工作描述了一种有效的小火焰的进展变量的方法开发的流体动力学模型浸没在电场的火焰。该模型的主要特点是它可以使用复杂的电离机制，而不会增加模拟的计算成本。该模型是基于燃烧过程不直接受电场的影响的假设，并已使用两种不同复杂性的化学电离机制进行了测试，以检查其行为与不存在的重阴离子的混合物。使用一个一维和二维的数值测试的情况下，本方法已经能够再现遇到的所有主要方面时，火焰受到施加的电场和不同的化学机制的主要影响。此外，所提出的模型被证明产生的计算成本大幅降低，能够缩短所需的时间进行模拟高达40倍。
2017-08-11 physics.flu-dyn
Modelling turbulent premixed flames using convolutional neural networks: application to sub-grid scale variance and filtered reaction rate
在湍流预混火焰的大涡模拟（LES）的背景下，讨论了一种使用深度卷积神经网络的纯数据驱动方法。该方法的评估进行了先验使用直接的数值模拟数据。该网络已经被训练以对经滤波的密度和经滤波的密度-进度变量乘积执行去卷积，并且通过这样做来获得未经滤波的进度变量场的估计。然后可以在LES粗网格上近似进度变量的任何非线性函数，并显式过滤以及时推进LES解。成功地证明了这种新的策略，用于解决湍流燃烧建模，为亚网格尺度的进展变量方差和小火焰过滤反应速率，预混湍流燃烧建模的两个基本成分。
2018-10-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The Impacts of Three Flamelet Burning Regimes in Nonlinear Combustion Dynamics
采用延迟分离涡模拟（DDES）湍流模型和可压缩小火焰前进变量（CFPV）燃烧模型对液体火箭发动机进行了轴对称数值模拟。三种不同的压力不稳定域进行了模拟：完全不稳定，半稳定，完全稳定。通过改变炉膛和氧化剂柱的长度，发现了不同的不稳定区域。层流小火焰的解决方案与详细的化学机制进行了检查。混合分数采用$β$概率密度函数（PDF），压力和进度变量采用狄拉克$δ$ PDF。论证了不稳定循环中放热率与压力之间的耦合机理。局部熄灭和重燃的所有不稳定域使用全S曲线的方法进行了研究。当压力振荡幅值变小时，局部燃烧和再燃量单调减少。火焰指数用于区分预混和非预混燃烧模式在不同的稳定域。仅使用S曲线的稳定小火焰燃烧分支对不稳定压力振荡情况进行了额外的模拟。当使用全S曲线时，发现在压力振荡幅度方面与实验更好地一致。
2018-02-28 physics.flu-dyn
Large Eddy Simulation of a Premixed Bunsen flame using a modified Thickened-Flame model at two Reynolds number
基于大涡模拟方法的改进的增厚火焰（TF）模型用于研究预混燃烧，并且通过与先导预混化学计量甲烷-空气火焰数据（Chen等人，1996），雷诺数Re = 24，000（火焰F3）和Re= 52，000（火焰F1）。加厚火焰法的基本思想是，火焰前缘被人为地加厚以在计算LES网格上求解，同时保持层流火焰速度（）恒定。通过增强分子扩散和减小Arkenius定律的指前因子来实现火焰前缘的人为增厚。由于火焰前缘被人为加厚，加厚火焰对湍流的响应受到影响，并通过在控制方程中引入效率函数（E）来处理。修正TF模型中的效率函数（E）是根据火焰-涡流相互作用的直接数值模拟（DNS）数据集提出的（Colin等人，2000年）。将预测的模拟结果与实验数据和使用基于RANS的概率分布函数（PDF）建模方法（Lindstedt，R. P.和Vaos，E. M.，2006，Transported PDF modeling of high-Reynolds-number premixed turbulent flames，Combustion and Flame，145，495）和基于RANS的G方程方法（Herrmann，M.，2006年）。结果表明，与修改后的TF模型的结果一般是在良好的协议与数据，与TF的预测一贯可比的PDF模型的预测和优于与G-方程的方法的结果。
2021-01-21 physics.flu-dyn
A Thermodynamically Consistent Manifold Model for Premixed Deflagrations & Detonations
Princeton University（普林斯顿大学）；University of New Brunswick（新不伦瑞克大学）
针对可压缩预混火焰建模难题，提出基于流形的湍流燃烧模型，经迭代确保模型与求解器热力学状态一致，再现关键量，解决现有方法局限。验证表明该模型在多区域优于现有方法，为高速反应流LES提供工具并奠定研究基础。
2026-11-09 physics.flu-dyn
A posteriori assessment of consumption speed correction for LES with tabulated methods
采用大涡模拟方法，对Borghi图中的褶皱火焰区丙烷/空气射流火焰进行了数值模拟，并对新近发展的预混燃烧消耗速度修正模型的性能进行了评价。燃烧模型使用小火焰制表与假定的概率密度函数。所研究的火焰不位于剪切层中，并受到自驱动振荡，这是理想的测试模型的性能。火焰行为首先讨论了使用精确的模拟上进行的细化网格不需要校正。观察到在较粗网格上使用的相同建模框架高估了消耗速度，导致火焰较短。消耗速度校正的应用导致恢复的火焰长度和宽度观察到的细化网格，证明其有效性。提出了部分预混燃烧的扩展模型，并在高压燃烧室上进行了初步试验。
2021-12-02 physics.flu-dyn
Simulation of Non-Premixed, Supersonic Combustion using the Discontinuous Galerkin Method on Fully Unstructured Grids
本研究使用保结构DG方法在完全非结构化网格上模拟超音速横向流中的反应氢射流，发现DG(p=2)解与实验吻合，并验证了该方法处理复杂几何与物理问题的潜力。
2025-08-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Non-premixed Flame-Turbulence Interaction in Compressible Turbulent Flow
非预混湍流反应流动由于湍流运动与反应之间的强耦合而难以建模。典型的碳氢化合物火焰释放的大量热量导致热力学变量和分子输运系数的显著修改，从而改变了流体动力学。此外，在非预混燃烧中，火焰具有复杂的空间结构。局部的膨胀和收缩发生，增强了平行运动。因此，流动的可压缩性和热释放密切相关。然而，关于可压缩性对标量混合和反应的作用的基础研究却很少。在本文中，我们提出的结果有关的非预混火焰和可压缩湍流之间的相互作用的基本方面。
2002-03-13 physics.flu-dyn
Solenoidal and potential velocity fields in weakly turbulent premixed flames
分析了从两个具有显著不同密度比（7.53和2.50）的一维平面、充分发展、弱湍流、单步化学反应、预混火焰中获得的直接数值模拟数据，以探讨燃烧诱导热膨胀对湍流的影响以及这种流动扰动对反应区表面的反向影响。为此，模拟的速度场被分解为螺线管和位速度子场。该方法是合理的事实，即采用（i）一个广泛使用的正交亥姆霍兹-霍奇分解和（ii）最近推出的自然分解得到的结果是接近的最大部分的计算域（包括整个平均火焰刷）除了狭窄的区域附近的入口和出口边界。结果表明，燃烧诱导的热膨胀可以通过产生势流速度波动来显著改变预混火焰上游未燃混合气的湍流。在火焰刷内，在未燃烧的反应物（分别为燃烧产物）中，势场和螺线管速度场负（正）相关，条件是σ=7.53。此外，由螺线管和潜在的速度场产生的应变率之间的相关性和反应区的条件是积极的（消极的）在平均火焰刷的领先（尾随，分别）的一半。此外，潜在的应变率与反应区的曲率负相关，而螺线管应变率和曲率负（正）相关的平均火焰刷的领先（尾随，分别）的一半。
2020-07-16 physics.flu-dyn
A turbulent premixed flame on fractal-grid generated turbulence
在预混湍流燃烧实验中，采用了一种填充空间、低阻塞的分形网格作为新型湍流发生器。与标准湍流网格的幂律衰减相反，分形网格的下游湍流强度增加，直到在距离网格一定距离处达到峰值，然后才最终衰减。有效网格尺寸和密实度与标准正方形网格相同。结果表明，在相同的流量和化学计量比下，分形湍流增强了燃烧速率，使火焰面积进一步增大。使用火焰分形模型，试图突出在两个不同的湍流场建立的火焰之间的差异。
2010-04-13 physics.flu-dyn
Predictive data-driven model based on generative adversarial network for premixed turbulence-combustion regimes
预混火焰表现出不同的渐近制度之间的相互作用的热释放和湍流取决于其各自的长度尺度。在高Karlovitz数时，热释放引起的膨胀对湍流动能没有任何影响，而在低Karlovitz数时，平均剪切是湍流动能的汇，并观察到反梯度输运。后一种现象不能很好地被基于梯度扩散的大涡模拟中常用的闭合模型捕获。直接数值模拟（DNS）提供的大量数据为开发能够代表这两种机制中存在的物理机制和非线性特征的数据驱动模型提供了可能性。在这项工作中，数据库形成的DNS的两个平面氢/空气火焰在不同的Karlovitz数对应的两个渐近制度。在这种情况下，生成对抗网络（GAN）提供了成功识别和重建梯度和反梯度现象的可能性，如果使用包括这两种机制的数据库进行训练。两个GAN模型首先针对特定的Karlovitz数进行训练，并使用相同的数据集进行测试，以验证模型学习单个渐近状态特征的能力并评估其准确性。在这两种情况下，GAN模型能够准确地重建雷诺应力子滤波尺度。随后，使用两个数据集的混合来训练GAN，以创建包含两种燃烧状态的物理知识的模型。该模型能够重建的子过滤尺度为两种情况下捕获的热释放和湍流之间的相互作用密切的DNS所示的湍流动力学预算和重心地图。
2022-03-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Mixing and Combustion in a Laminar Shear Layer with Imposed Counterflow
三维层流结构与混合，化学反应，正应变，剪切应变定性代表湍流燃烧在小尺度上进行了分析。混合层在横向y和z方向上经受逆流。非反应性和反应性流量进行检查。减少三维边界层方程的一维类似的形式得到允许的热量和质量扩散的密度和属性的变化。在定常构型中，一组常微分方程控制三个速度分量以及标量场变量。建立了考虑剪切应变和法向应变的单个扩散火焰的小火焰模型。另一个模型的解决方案在类似的形式得到的配置与一个占主导地位的扩散火焰和一个较弱的富燃料预混火焰。速度和标量场的结果被发现的范围Damkohler数Da，正常的应变率由于逆流，流向速度比混合层，普朗特数，和马赫数。对于火焰面模型，一个保守的标量被铸造作为独立的变量，给出一个替代的描述结果。施加的正应变减小混合层厚度，并增加标量梯度和输运率。有迹象表明，在多分支火焰的情况下，部分预混火焰的扩散控制。通过在剪切层上施加法向应变可以显著地提高混合和燃烧速率。此外，施加的剪切应变，从而对逆流涡量可以是实质性的，表明需要的小火焰模型与剪切应变和法向应变。
2020-05-27 physics.flu-dyn
Spatiotemporally Resolved Multi-Scalar Measurements of Methane Tulip Flames in a Square Channel
Peking University（北京大学）
研究通过多平面双色PLIF技术，空间时间分辨测量甲烷预混火焰在方形通道中郁金香结构的温度和OH浓度分布，揭示火焰形态演变及热损失机制。
2026-04-21 physics.flu-dyn
Fractal dimension of premixed flames in multifractal turbulence
在湍流预混火焰中，基于启发式标度理论，对Damköhler的大尺度极限$(Da>>1)$和小尺度极限$(Da\sim\mathcal{O}(1))$，火焰等值面的分形维数分别为$\mathbb{D}=7/3$和$\mathbb{D}=8/3$。然而，这样的缩放参数不考虑火焰表面上的湍流动能耗散的多重分形性质的效果。在本文中，我们占的多重分形耗散的分形维数低$Da$湍流预混火焰的影响。我们推导出两个修正的分形维数上限- $\mathbb{D}=8/3+3/4(1-D_{1/4})$和$\mathbb{D}=8/3+2/3(3-D_{1/3})$ -这对应于标量通量的变化和火焰界面的总面积，由于湍流耗散的间歇性所产生的内部截止尺度的波动，分别。我们进一步表明，第二次修正导致的分形维数$(\mathbb{D})$的标度指数$(ξ)$的速度结构函数通过关系：$\mathbb{D}=11/3+ξ$的明确依赖。因此，我们明确量化低$Da$预混燃烧湍流的多重分形性质的影响。
2020-09-03 physics.flu-dyn
GPU-accelerated Large Eddy Simulation of turbulent stratified flames with machine learning chemistry
针对实验室尺度分层预混火焰高保真模拟计算昂贵的问题，提出GPU求解器结合ANN替代反应速率计算的方法，并在Cambridge火焰大涡模拟中验证其精度与超百倍加速。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Rush-to-equilibrium concept for minimizing reactive nitrogen emissions in ammonia combustion
Princeton University（普林斯顿大学）
针对氨燃烧活性氮排放高的问题，提出趋衡概念，通过衰减预混火焰内混合速率加速平衡趋近，可在燃气轮机工况下将活性氮排放降一个数量级，且适配现有燃烧室参数。
2025-10-29 physics.flu-dyn
Assessing the impact of multicomponent diffusion in direct numerical simulations of premixed, high-Karlovitz, turbulent flames
在数值燃烧研究中实施多组分扩散模型在计算上是昂贵的;为了降低成本，数值模拟通常使用混合物平均扩散处理或更简单的模型。然而，混合平均扩散的准确性和适当性尚未得到验证的三维，湍流，预混火焰。在这项研究中，我们评估了多组分的质量扩散的作用，在预混，三维高Karlovitz数的氢，正庚烷，和甲苯火焰，代表一系列的燃料路易斯数。我们还研究了预混，不稳定的二维氢火焰由于扩散效应的重要性，在这种情况下。我们的扩散通量矢量的比较显示，混合物平均和多组分扩散模型之间的差异平均为10-20%，在高火焰曲率的区域大于40%。然而，总体而言，混合物平均模型产生的扩散通量与全球湍流火焰统计数据相比，差异很小。为了评估这两种模型之间的差异的影响，我们比较了归一化的湍流火焰速度和有条件的平均物种质量分数和源项。我们发现平均归一化湍流火焰速度的差异为5-20%，这似乎对应于峰值燃料源项的差异为5-10%。我们的研究结果激励进一步研究混合平均扩散模型是否总是适合预混湍流火焰的DNS。
2020-10-15 physics.flu-dyn
Isolating effects of large and small scale turbulence on thermodiffusively unstable premixed hydrogen flames
本研究通过直接数值模拟探究湍流对稀燃预混氢气火焰的影响，揭示了不同Karlovitz数与积分长度尺度下火焰速度、面积的变化规律及差异扩散效应的作用机制。
2023-11-29 physics.flu-dyn
Acoustic radiation of thermodiffusively unstable turbulent lean premixed hydrogen-air flames
Polytechnic University of Bari（巴里理工大学）；CERFACS（法国燃烧研究与交流中心）；Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, IMFT, Université de Toulouse, CNRS（图卢兹大学CNRS图卢兹流体力学研究所）
研究热扩散效应如何影响湍流预混槽喷嘴火焰的燃烧噪声，通过直接数值模拟比较了两种热扩散不稳定稀薄氢气-空气火焰与一种热稳定化学计量甲烷-空气火焰，发现热扩散效应显著改变热释放率波动和火焰表面动态，提出扩展经典火焰let理论的理论框架，揭示火焰拉伸是促进噪声辐射的关键机制。
2026-03-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
PeleLM-FDF Large Eddy Simulator of Turbulent Combustion
发展了一种新的计算方法PeleLM-FDF，并用于复杂湍流燃烧系统的高保真大涡模拟（LES）。这种方法是通过一个混合方案相结合的欧拉PeleLM基流求解器与拉格朗日蒙特卡罗模拟器的过滤密度函数（FDF）的次网格尺度反应标量。由此产生的方法是能够模拟一些最复杂的物理复杂的燃烧相互作用。这是证明了一个非预混CO/H $_2$时间演变射流火焰的LES。通过骨架动力学模型的化学建模，并通过详细的后验比较对同一火焰的直接数值模拟（DNS）数据的结果进行评估。观察到良好的协议的各种统计的热化学量的时间演化，包括多标量混合的流形。新的方法是能够捕捉复杂的现象的火焰熄灭和重新点燃的计算成本的DNS的1/512。新的PeleLM-FDF求解器的高保真度和计算负担能力保证其考虑实际湍流燃烧系统的LES。
2022-01-03 physics.flu-dyn
Shear-layer effects on the dynamics of unsteady premixed laminar counterflow flames
University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
本研究针对非定常预混层流对冲火焰，通过实验考察偏离中心位置的火焰行为，发现剪切层涡结构强度主导高次谐波响应，揭示了多维效应下的火焰动力学差异。
2025-10-29 physics.flu-dyn
Combustion regimes in sequential combustors: Flame propagation and autoignition at elevated temperature and pressure
本文研究了在常压和高压条件下顺序燃烧室第二级的燃烧模式。顺序燃烧器（SB）的特点是混合部分与燃料喷射到一个热的污染横流。取决于主要燃烧模式，再循环区有助于火焰在炉膛中的锚定。火焰位于喷射器的足够下游，导致部分预混合的条件。首先，从0-D和1-D模拟得到的燃烧状态图显示了三种燃烧模式的共存：自燃，火焰传播和自燃辅助火焰传播。这些状态图可用于理解湍流顺序燃烧室中起作用的燃烧模式，如具有半详细化学的3-D大涡模拟（LES）所示。除了在三种不同工况下的稳态燃烧模拟外，还进行了瞬态模拟：（i）以自燃作为主要模式点燃燃烧器，（ii）由自燃启动并随后过渡到传播稳定火焰的点燃，和（iii）入口温度的瞬时变化（降低150 K）导致燃烧状态的变化。这些结果表明，回流区的点火和传播型火焰的锚定的重要性。与此相反，自燃火焰由于混合物的连续自燃而稳定，并且回流区对火焰锚定不起重要作用。
2018-11-25 physics.flu-dyn
Filtered turbulent flame model with wrinkling correction on chemical source for nonpremixed combustion simulation
Global College, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学全球学院）
针对非预混燃烧模拟的滤波湍流火焰模型（FTFM），引入对化学源项的褶皱修正，经两种火焰案例测试验证了其精度与鲁棒性。
2026-08-18 physics.flu-dyn
A Jet-Stirred Apparatus for Turbulent Combustion Experiments
设计了一种新型射流搅拌炉膛，用于研究湍流预混火焰。在新方法中，多个碰撞湍流射流用于搅拌混合物。众所周知，一对逆流湍流射流沿射流轴线产生几乎恒定的强度。在这项研究中，不同数量的冲击射流在各种配置被用来产生各向同性湍流强度。已经进行了FLUENT模拟，以评估拟议的腔室的可行性。为了能够比较不同的配置，三个不同的无量纲指数的介绍。平均流动指数、均匀性指数和各向同性指数。使用这些指数，可以比较各种室，包括传统的风扇搅拌反应器。结果表明：8进8出的同心进/出流室，入口流速为20 m/s，初始强度为15%时，产生的平均流场接近于零，湍流强度为2.5 m/s，远高于文献报道的风扇搅拌室。
2017-12-05 physics.flu-dyn
Classification and Simulation of Anomalous Events in Turbulent Combustion
在实际的燃烧系统中，湍流燃烧过程的高度非线性可能导致即使在标称操作条件下也无法预料的行为。这包括预混合燃气轮机中的火焰回火、超燃冲压发动机中的发动机不启动以及发动机在高空点火失败。其中许多事件造成灾难性后果。因此，理解燃烧系统的这种不规则偏移的性质对于确保稳健的操作是重要的。这项工作的重点是从动力系统的角度来确定这种罕见的偏移的来源。具体地说，这种异常行为可以根据系统在其相空间中遍历的轨迹用三种不同的类别来解释。对于每一个类，计算算法和验证练习进行了简要讨论。
2017-04-27 math.DS physics.flu-dyn
Three-dimensional Vorticity Effects on Extinction Behavior of Laminar Flamelets
本文提出三维旋转小火焰模型，引入涡量与剪切应变效应，结合9组分H2-O2详细化学机理，证明涡量可将多种火焰的可燃极限最多扩展30%，并揭示二维无旋常密度模型缺失的关键物理。
2024-10-18 physics.flu-dyn
