Carrier-phase DNS of iron particle cloud combustion in a highly turbulent shear layer (Open access)
P. Ghofrani*, T.D. Luu, S.H. Tey, O.T. Stein, A. Kempf
Keywords: Iron combustion; Carrier-phase direct numerical simulation; Solid fuel combustion
DOI: 10.1016/j.partic.2026.06.005
铁粉燃料凭借体积能量密度高、储量丰富、制备及应用成本较低、燃烧产物易回收、零碳排放等显著优势，受到越来越多关注，但湍流场中铁粉燃烧的多相耦合机制长期缺乏精细量化解析。
本文采用载相直接数值模拟（CP-DNS）方法，对气固两相湍流剪切层铁颗粒的燃烧特性开展系统性研究。首先，在低雷诺数条件下，将自主研发PsiPhi代码的计算结果与Luu等人基于OpenFOAM建立的数值模型结果进行对比，完成了两套独立DNS求解器瞬时流场确定性交叉验证，从统计量到瞬态结构双重证实模拟框架的稳健性与结果可复现性，同时，PsiPhi程序还展现出突出的计算效率优势，计算成本仅为OpenFOAM的1/20，大幅降低了数值模拟的运算开销。进一步，将网格分辨率提升至原有水平的两倍，计算单元达6.8 亿，开展了高雷诺数条件下的CP-DNS数值模拟，系统探究湍流强度对铁颗粒点火、氧化及燃尽全过程燃烧特性的影响规律。计算结果表明，湍流强度的提升拓宽了流场点火区域、强化了氧气输送能力，显著加快颗粒点火速率与组分物质转化速率。通过对比高低两种雷诺数工况的模拟结果可知，两种工况下颗粒尺度的氧化行为基本一致，说明气相湍流与单颗粒燃烧反应的耦合作用较弱。综上可知，高雷诺数工况下铁颗粒燃烧速率提升，主要归因于湍流混合作用增强提升了流场内部的氧气输送效率，而并非通过改变气固相间相互作用机制直接调控颗粒燃烧过程。
该高精度DNS数据集已公开共享，可为铁粉燃烧器优化、多相湍流燃烧模型开发提供参考，助力零碳金属燃料工业化落地。
本文已OA，发表于PARTICUOLOGY（Volume 115），收录于专刊“2nd International Workshop on Reactive Particle-Gas Systems - Special issue organized by the Collaborative Research Centre BULK-REACTION”。客座编辑为马格德堡大学Dominiquen Thévenin教授、Evangelos Tsotsas教授，以及波鸿鲁尔大学Viktor Scherer教授、Francesca Di Mare教授。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Ghofrani, P., Luu, T. D., Tey, S. H., Stein, O. T., & Kempf, A. (2026). Carrier-phase DNS of iron particle cloud combustion in a highly turbulent shear layer. Particuology, 115, 390-400. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.06.005