在实际工程应用中,为了促进充分燃烧通常采用旋流入流装置,通过旋流流动产生涡破碎进而引起的中心回流区可以实现充分混合的同时稳定火焰,旋流燃烧技术因其稳定高效、清洁燃烧的特点,已经成为极具发展潜力的手段。与此同时为了降低NO_x及颗粒物的排放,旋流燃烧技术在航空和地面燃气轮机燃烧室及各类工业装置中都得到了极为广泛的应用。通过旋流器产生旋流,其中的螺旋叶片引导气流形成螺旋状态,同时也有减缓流速的作用,有效地降低了横直管中的压力波动。本文分别采用UG和ICEM-CFD软件对本课题组设计的双旋流器进行建模与高质量的分块结构网格划分,包含内外管道的双旋流装置。使用OpenFOAM计算程序对该旋流器装置中的空气分别与甲烷和氮气这两种不同密度气体混合快慢的问题展开了大涡模拟(LES)研究。使用OpenFOAM软件对该装置开展了三维冷态流场计算,包括旋流角度为60度、90度和120度的同向和异向旋流器,其中旋流数分别为0.25、0.36和0.51。在保证内外管道动量通量一致的前提下,内管中的甲烷与外管中的空气具有不同的速度入流。结果显示,在异向旋流器下,内外管道的速度差产生了较强的剪切力,加速了流场的混合,使得流场在下游发展的更加完全。相较于同向旋流器,异向旋流器在中下游产生了更强的涡破碎。对比同轴向位置处的流场,发现异向旋流器相对于同向旋流器流场混合的更加完全,发展更快,而经过同向旋流器的流场扩张角度更大。此外异向旋流器的流向涡要比同向旋流器更强。且在异向旋流器下可以观察到进动涡核的存在,但是在同向旋流器下并未发现,旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性是产生这种现象的原因。对比三个不同旋流数下的甲烷-空气混合流场发现旋流数的增大在一定程度上加速了流场的混合以及组分的扩散。同时,针对旋流角度为60度的旋流器,研究了空气分别与甲烷和氮气的混合过程。发现不同密度气体与空气的混合过程存在一定的差异,由于扩散系数的不同导致旋流器出口处组分的分布不同,同时流场中的流向涡和平面涡也具有一定的差异性。综合本研究结果可以得出,旋流强度对流场的发展起到了很大的影响,旋流强度的增强促进了流场的混合。同向与异向旋流器的差异性也会导致剪切力的差异性,显然异向旋流器的流场发展更快。流体密度的差异在一定的程度上也影响着流场的发展。