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化石能源在很长时间内将是我国能源消费的主要部分，作为可实现大规模CO2减排的新型燃烧方式，富氧燃烧技术在能源利用领域有着非常好的应用前景，而其火焰特性是制约燃烧器等关键设备研发的基础理论问题。本文基于直接数值模拟程序，对甲烷(CH4)富氧湍流预混火焰的火焰结构、组分分布和反应路径进行了系列研究。
首先，基于高阶有限差分的开源直接数值模拟程序Pencil-code，构建了二维和三维均匀各向同性湍流内预混火焰传播的高精度模拟方法，选用DVODE刚性求解器来求解化学源项，采用自主开发的基于USC-MechII简化得到的骨架机理作为化学反应机理，较好地兼顾了计算精度和计算时间的需求。
继而，对常压(1atm)条件下的二维CH4/O2/CO2湍流预混火焰进行了模拟，研究湍流强度、氧分压和环境气氛对甲烷预混火焰的火焰结构、组分分布的影响。研究表明湍流强度和氧分压对火焰结构有重要影响，氧分压降低使燃烧区的反应强度下降，火焰面厚度增大，湍流对火焰结构的影响也相应减弱。湍流强度对组分输运方程中的对流项、扩散项和反应项均有影响，低温区的湍流扩散项使当地的H、OH等基团的浓度增大。特征火焰面上的H、OH基团浓度与平均曲率之间存在着负相关，而CO基团浓度与平均曲率存在着正相关。
随后，对压力为1到10atm的二维CH4/O2/CO2加压湍流预混火焰进行了模拟，研究了压力对富氧预混火焰的组分分布、化学反应路径的影响。研究表明压力增大会使OH、H、CO等基团的质量分数减小，并向高温区聚集；随着压力的增大，火焰的局部热释放率提高，其峰值对应的温度增大。压力对化学反应路径有重要影响，在局部火焰面上，压力对不同基元反应的影响效果不同，在OH消耗速率峰值处，随着压力的增大，部分基元反应如H+O2=O+OH对OH反应速率的贡献增大，而部分基元反应如OH+H2=H2O+H对OH反应速率的贡献减小。
最后，对压力为1到20atm下的三维CH4/O2/CO2加压湍流预混火焰进行了模拟，分析讨论了压力对富氧预混火焰的火焰结构和火焰位移速度的影响。结果表明，在相同的湍流强度下，压力的增大使特征火焰面变得更加折皱，并使组分的差异扩散增强，进而提高了组分差异扩散对火焰位移速度的贡献。压力的增大会增强Darrieus-Landau不稳定性对局部火焰的影响，在p=20atm时，特征火焰面上发生大范围的局部熄火。压力的增大对特征火焰面的火焰位移速度大小的影响较小，后者主要受与热传导相关的项控制。
首先，基于高阶有限差分的开源直接数值模拟程序Pencil-code，构建了二维和三维均匀各向同性湍流内预混火焰传播的高精度模拟方法，选用DVODE刚性求解器来求解化学源项，采用自主开发的基于USC-MechII简化得到的骨架机理作为化学反应机理，较好地兼顾了计算精度和计算时间的需求。
继而，对常压(1atm)条件下的二维CH4/O2/CO2湍流预混火焰进行了模拟，研究湍流强度、氧分压和环境气氛对甲烷预混火焰的火焰结构、组分分布的影响。研究表明湍流强度和氧分压对火焰结构有重要影响，氧分压降低使燃烧区的反应强度下降，火焰面厚度增大，湍流对火焰结构的影响也相应减弱。湍流强度对组分输运方程中的对流项、扩散项和反应项均有影响，低温区的湍流扩散项使当地的H、OH等基团的浓度增大。特征火焰面上的H、OH基团浓度与平均曲率之间存在着负相关，而CO基团浓度与平均曲率存在着正相关。
随后，对压力为1到10atm的二维CH4/O2/CO2加压湍流预混火焰进行了模拟，研究了压力对富氧预混火焰的组分分布、化学反应路径的影响。研究表明压力增大会使OH、H、CO等基团的质量分数减小，并向高温区聚集；随着压力的增大，火焰的局部热释放率提高，其峰值对应的温度增大。压力对化学反应路径有重要影响，在局部火焰面上，压力对不同基元反应的影响效果不同，在OH消耗速率峰值处，随着压力的增大，部分基元反应如H+O2=O+OH对OH反应速率的贡献增大，而部分基元反应如OH+H2=H2O+H对OH反应速率的贡献减小。
最后，对压力为1到20atm下的三维CH4/O2/CO2加压湍流预混火焰进行了模拟，分析讨论了压力对富氧预混火焰的火焰结构和火焰位移速度的影响。结果表明，在相同的湍流强度下，压力的增大使特征火焰面变得更加折皱，并使组分的差异扩散增强，进而提高了组分差异扩散对火焰位移速度的贡献。压力的增大会增强Darrieus-Landau不稳定性对局部火焰的影响，在p=20atm时，特征火焰面上发生大范围的局部熄火。压力的增大对特征火焰面的火焰位移速度大小的影响较小，后者主要受与热传导相关的项控制。