湍流中铁颗粒云燃烧与聚集相互作用的机理研究：从贫燃到富燃条件下的动力学分析

为解决铁颗粒在湍流中燃烧效率低及燃烧时间延长的问题，研究人员通过CP-DNS（载流相直接数值模拟）结合FOSK（一阶表面动力学）模型，系统研究了St=1条件下不同当量比（?=0.1-2）的铁颗粒群燃烧特性。研究发现，颗粒聚集导致氧气扩散受限，显著延长燃烧时间（?=1时延长10倍），而燃烧过程反向增强聚集效应。该研究为金属燃料湍流燃烧优化提供了理论依据。

　　

在能源转型背景下，金属燃料（如铁粉）因其可循环氧化还原特性成为储能研究热点。然而，铁颗粒在湍流中的燃烧效率受制于复杂的多相相互作用——颗粒聚集会改变局部氧气分布，而燃烧释放的热量又可能反作用于聚集行为。这种"鸡生蛋还是蛋生鸡"的动力学耦合机制，成为制约金属燃料规模化应用的瓶颈。

德国卡尔斯鲁厄理工学院Gabriel Th?ter团队在《Fuel》发表研究，通过载流相直接数值模拟（CP-DNS）结合一阶表面动力学（FOSK）模型，首次揭示了铁颗粒群在均匀各向同性湍流（HIT）中燃烧与聚集的双向耦合机制。研究采用伪谱方法求解流体相，通过非均匀快速傅里叶变换耦合点粒子模型，跟踪10μm铁颗粒在St=1、当量比?=0.1-2条件下的质量/热量/动量传递过程，并创新性地引入Voronoi镶嵌量化聚集程度。

关键技术包括：1）低马赫数近似处理压力场；2）Ranz-Marshall关联式计算Sherwood（Sh）和Nusselt（Nu）数；3）基于Spalding传质数的修正传热传质系数；4）三维Voronoi分析量化粒子聚集空间分布。所有案例均在29mm立方域内模拟，初始粒子温度低于点火阈值（750-800K）。

2.1 热力学流体模型

通过状态方程描述O₂/N₂混合气体的热力学特性，引入Shomate方程计算粒子焓值。关键发现：当?>0.5时，簇内氧耗尽成为燃烧速率限制因素，而?<0.25时则受边界层氧扩散控制。

2.2 流体流动

低马赫数近似下，压力波动π较热力学压力p₀小两个量级。动量方程中粒子反馈力包含阻力项和质量交换项，揭示簇内负速度散度（?_iu_i<0）是聚集强化的流体力学根源。

3. 计算设置

在Re_λ=41的湍流场中，对比湍流案例（T1-6）与静止参考组（R1-6）。发现?=1时湍流工况燃烧时间比静止组长10倍，因簇内氧扩散时间尺度（τ_D,?≈3.8ms）远大于单颗粒燃烧时间（τ_p,comb≈1.2ms）。

4.1 聚集对燃烧时间的影响

Voronoi分析显示：1）初始聚集加速点火（簇内颗粒提前1ms点燃）；2）?≥0.5时簇内氧耗尽形成"燃烧孤岛"；3）后期燃烧进度C_Ox与Voronoi体积呈负相关（r=-0.7），证明未燃颗粒被隔离在贫氧区。

4.2 燃烧对聚集的反作用

通过零初速对照实验（C4）发现：1）燃烧放热引发局部流体膨胀（?_iu_i>0持续<1ms）；2）后续热收缩（?_iu_i<0持续>3ms）使簇密度提升40%；3）St_exp≈1的颗粒能跟随膨胀流，而St_con≈0.3更易被收缩流捕获。

这项研究首次量化了铁颗粒燃烧与湍流聚集的双向耦合机制，揭示了工业级燃烧器中效率损失的微观机理。特别是发现?=1时"氧扩散-热收缩"正反馈效应最显著，为设计抗聚集燃烧器提供了关键参数。未来研究可拓展到多尺度湍流场及碰撞聚合效应，进一步逼近实际应用场景。