虽然贫预混燃烧可在提高燃烧效率的同时降低污染物的排放,但是由于其混合气当量比接近贫可燃界限,易导致熄火、热-声振荡等燃烧不稳定现象的发生,对燃烧装置的性能造成不利影响。而分层燃烧,即可燃预混合气的当量比成层分布的燃烧状态,通过利用富燃预混合气火焰去引燃周围的贫燃预混合气,可以有效提高传统贫预混燃烧的稳定性。相比于纯粹的预混燃烧和非预混燃烧,人们目前对分层燃烧特性的了解还不够,亟待进一步深入研究。本论文在前期研究的基础上,采用可靠的大涡模拟(LES)方法和燃烧模型,对著名的德国Darmstadt大学湍流分层燃烧装置开展了大规模的高精度计算研究,着重分析比较了湍流分层火焰在不同的分层效应,不同的剪切层条件下火焰传播方式的差异。LES计算采用的是基于反应-扩散流形(REDIM)方法和假定滤波概率密度函数(PFDF)而构造的亚网格燃烧模型。REDIM是一种详细化学反应机理简化方法,综合考虑了化学反应过程与分子输运过程的耦合,由它生成的化学反应表格适合于描述湍流分层燃烧状态。本研究采用的是针对Darmstadt火焰生成的二维表格,其参考坐标为N2和CO2的质量分数,通过查询该表可以确定其他的热力学变量。而N2和CO2的质量分数在亚网格滤波控制体内的联合概率分布则通过PFDF方法来确定,本研究中假设两者的变化是相互独立的两个随机过程,均符合截尾高斯分布。计算采用的是分块结构化网格,整个计算域被分割成308块,粗、细两种网格分别包含120万和260万网格单元。LES计算求解的是低马赫数近似N-S方程,亚网格应力采用动力Smagorinsky模型来计算。本文总共计算了Darmstadt湍流分层系列火焰中的四个状态(即A-r,C-r,E-r和G-r),分别对应于有分层/无分层情况和强剪切/弱剪切情况的不同组合状态。观察上述四个状态中火焰面及当量比等值线随时间的变化,发现它们的运动趋势各不相同,其中有分层但剪切层很弱的状态(A-r)与其它三个状态的差别尤为明显,其火焰向下游的伸展范围更长且形状更显“紧凑”。本文还对描述分层燃烧特性的重要参数—反应层与混合层之间的交叉角,?—进行了详细分析,结果表明:在湍流的作用下火焰面变得非常褶皱,使得火焰面与混合层之间的夹角?在一个很小的空间范围内就呈现出剧烈的变化,这使得四个燃烧状态下?的分布均很广泛,可从0?一直变化到180?。分析还表明:各个状态下?的概率分布随着离开射流出口的轴向距离增加而不断改变。在这四个燃烧状态中,虽然分层火焰的主要传播方式均为“焰后支持火焰,?<90?”(back-supported flame)传播方式,但是“焰前支持火焰,?>90?”(front-supported flame)传播方式也占据了相当的概率。综合本研究结果,可以得出结论:湍流增强可促进不同当量比混合气之间的混合,使得总体的分层效应有所弱化;同时,湍流增强可导致火焰面的皱褶增多,反应层与混合层的夹角变化更加剧烈,使得?的概率分布有趋于均匀的趋势,即“焰后支持火焰”与“焰前支持火焰”两种传播模式出现的概率趋于接近。