【Ziel】 Aufgrund ihrer hohen Porosität, mehrporigen Struktur und unterschiedlichen Zellstrukturen kann Schaumkeramik den Wärme- und Stofftransport in Brennern verstärken und die Grenzen der mageren Verbrennung erweitern. Das durch die zufällige Porenstruktur ausgelöste mikroskalige Strömungsfeld beeinflusst direkt die Kraftstoff-Luft-Mischungseffizienz und Flammenstabilität, was von herkömmlichen Modellen schwer vorherzusagen ist. Daher besteht ein dringender Bedarf an einem genauen Modell zur Vorhersage des turbulenten Nachstromfeldes. 【Methode】 Hierzu wurde eine zufällige Schaumkeramikstruktur basierend auf dem Voronoi-Algorithmus verwendet, kombiniert mit Large Eddy Simulation (LES) zur Untersuchung der turbulenten Strömung auf Porenskala. Es wurde eine systematische numerische Simulation der turbulenten Strömung auf Porenskala durchgeführt, wobei die Strömungsfeldstruktur und die Wirbelentwicklung bei unterschiedlichen Einlassgeschwindigkeiten (10–100 m/s) analysiert wurden. 【Ergebnisse】 Mit steigender Einlassgeschwindigkeit wandelt sich die Strömung von viskosen zu inertialen dominierten Strömungen, die Wirbelstärke nimmt signifikant zu, Hochwirbelzonen konzentrieren sich auf die windabgewandte Seite des Skeletts und die Porenhalsbereiche mit geometrischen Veränderungen; die maximale turbulente kinetische Energie steigt von 120,84 m2/s2 unter Betriebspunkt 1 (Einlassgeschwindigkeit 10 m/s) auf 12.049,28 m2/s2 unter Betriebspunkt 4 (Einlassgeschwindigkeit 100 m/s), eine Steigerung um nahezu das 100-fache. Die Analyse der Wirbelstruktur auf Basis des Q-Kriteriums zeigt, dass zufällige Poren eine signifikante Strömungsanisotropie verursachen, wobei Wirbelkerne mit hoher Rotationsintensität die lokale Dissipation dominieren und mit der Porenvernetzung korrelieren. Die kooperative Wirkung multiskaliger Wirbelstrukturen bildet eine turbulente Energiekaskade, die zusammen mit der lokal durch Wirbelkerne hoher Intensität dominierten Dissipation den Verbrennungsprozess steuert. 【Fazit】 Durch die Entwicklung einer Voronoi-LES-Kopplungsmethode für zufällige Schaumkeramikstrukturen wurde die Entstehung, Entwicklung und Dissipation wirbeler Strukturen auf Porenskala effektiv erfasst. Dies bietet neue Einblicke in die Kopplungsmechanismen von turbulenter Strömung und chemischer Reaktion auf Porenskala und ist von großer ingenieurtechnischer Bedeutung für die Optimierung des Designs von Schaumkeramikbrennern, die Verbesserung der kohlenstoffarmen Energieerzeugungseffizienz und die Reduzierung von Schadstoffemissionen.

Schaumkeramik;Porenskala;Large Eddy Simulation;Voronoi-Algorithmus;Q-Kriterium