燃烧会对湍流边界层的流动机理带来哪些影响？

可压缩湍流边界层是近年来湍流研究的热点领域。在实际工程中，可压缩湍流边界层流动往往伴随着化学反应，比如高速推进装置的内流中存在着近壁燃烧。清华大学湍流实验室通过直接数值模拟的方法详细研究了燃烧对湍流边界层流动机理的影响，考察了燃烧条件下湍流模型的常用假设。

图 1 边界层燃烧模型

研究采取的模型为带有壁射流入口的平板边界层。在边界层入口处，贴近壁面注入氢气射流，剖面为泊肃叶流动；远离壁面注入热空气主流，剖面为层流边界层流动。射流与边界层主流间的强剪切作用会造成流动转捩和燃料的混合，在下游发展出湍流边界层流动以及点燃的火焰面。计算采用了OpenCFD-Comb代码（https://opencfd.cn/）。

图 2 流动展向截面：(a,c,e)为带有燃烧反应的边界层；（b,d）为关闭化学反应的参考计算。带有燃烧反应后，边界层明显变厚，温度升高，并产生OH等中间反应产物

如何分析化学反应对于边界层湍流脉动的影响？湍流实验室提出了一套基于局部摩擦雷诺数的物理机制推演方法，主要思路为化学反应通过改变温度和组分浓度改变混合气体密度和粘性，从而改变壁面法向不同位置的局部摩擦雷诺数，最终改变雷诺应力的大小与分布。该推演方法成功解释了燃烧对于边界层湍流脉动的影响：在上游燃料刚点燃的位置湍流脉动增加，主要是由于氢气消耗造成的混合气体密度升高；相反地，在下游火焰充分燃烧，温度显著提升，从而使得粘性显著提升，降低了湍流脉动。

图 3 湍流边界层流场

研究还分析了壁射流转捩、燃烧对壁面摩阻影响的详细机理，检验了燃烧条件下强雷诺比拟等假设，考察了壁面不同法向位置的基元反应及化学反应放热来源，探究了影响湍流化学反应封闭的关键物理要素。项目得到了国家自然科学基金（12302286，12388101）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2024.595