燃燒，是一種具有強烈的非線性與時空多尺度特徵的化學反應，這一特徵也正是求解湍流燃燒問題的根本性挑戰。迄今為止，研究者們提出了多種湍流燃燒模型，包括火焰面類模型，概率密度函數（PDF）類模型，條件矩封閉（CMC）模型，以及渦耗散概念（EDC）模型等，但這些模型在構建的物理基礎及封閉的合理性方面一直沒有令人滿意的方案。
近日，上海交通大學王利坡課題組與中國科學院力學研究所張健課題組合作，在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上發表了題為「Non-premixed turbulent combustion modeling based on the filtered turbulent flamelet equation」的研究論文，對湍流擴散火焰模型提出了新的思路。文章發表於2020年第4期，頁碼為244711。
在大渦模擬（LES）框架下，根據濾波平均的火焰特性，研究人員推導出了新的濾波火焰面方程，並由此出發，構建了濾波火焰面模型。由於在LES概念上的自洽，濾波火焰面模型不再需要對標量耗散率的概率密度分布函數和標量脈動方差做模化，與其他燃燒模型相比，在原理上也減小了數值模擬的不確定性。
圖1和2分別展示了幾種常用的湍流燃燒模型與濾波火焰面模型並在雪梨鈍體湍流射流火焰模擬中的結果對比。紅色實線表示濾波火焰面模型（簡化機理）的結果，粉色虛線表示火焰面/過程變量模型（詳細反應機理）的結果，藍色虛線表示火焰面/過程變量模型（簡化機理）的結果，綠色虛線表示層流火焰面模型（詳細反應機理）的結果，實心三角標為實驗結果。新模型與實驗結果符合更好。
圖1雪梨鈍體湍流射流火焰中主要產物H2O在不同軸向截面處的分布結果
圖2雪梨鈍體湍流射流火焰中主要產物CO2在不同軸向截面處的分布結果
該工作是濾波火焰面模型的初步應用，為LES框架下燃燒化學反應項的封閉問題提供了一種全新的解決方法。該模型的進一步改進和完善將會為湍流燃燒研究帶來新的啟發。
作者簡介：
張健
2001年和2007年分別獲得北京航空航天大學飛行器動力工程專業學士學位和流體機械及工程專業博士學位，2007年入職中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室，2010年晉升為副研究員，2011-2012年在美國密西根大學從事博士後研究。近年來主要從事湍流燃燒相關方向的研究。
王利坡
1996年和2000年分別獲得清華大學學士和碩士學位。2002年赴德國亞琛工業大學主攻湍流與湍流燃燒，並於2007年獲博士學位。2009年作為助理教授加入上海交通大學密西根學院，現為長聘副教授。主要研究領域包括湍流場結構分析、湍流火焰動力學和火焰模型、計算流體力學及相關工程應用。