在追求高效、清潔燃燒技術的征途上，多孔介質燃燒（Porous Media Combustion, PMC）如同一顆璀璨的明星，因其卓越的熱效率、低污染物排放和出色的火焰穩定性，在微動力系統、低熱值燃料利用和清潔能源轉換等領域備受矚目。然而，這顆明星的光芒之下，依然籠罩著迷霧：在隨機堆積的復雜孔隙結構中，對流與輻射這兩種關鍵傳熱模式是如何相互耦合，協同影響火焰的形態與穩定性的？傳統的研究方法，如宏觀體積平均法（Volume-Averaged Method），往往“只見森林，不見樹木”，忽略了孔隙結構細節，難以捕捉局部熱非平衡（Local Thermal Non-Equilibrium, LTNE）、火焰前鋒扭曲等微觀現象。而完全解析真實三維孔隙結構的模擬計算成本又高得令人望而卻步。這構成了當前研究的一個關鍵瓶頸：如何在保證物理真實性的同時，實現高效的計算模擬，從而精準揭示孔尺度的傳熱與燃燒機制？正是為了解決這一難題，來自安徽建筑大學的研究團隊開展了一項聚焦于隨機填充床內預混甲烷-空氣燃燒的孔尺度數值模擬研究。

為了回答上述科學問題，研究人員巧妙設計了一套高效的研究方案。他們首先采用離散元法（Discrete Element Method, DEM）生成了一個由直徑5毫米Al₂O₃球體隨機堆積的圓柱床幾何模型。為了平衡計算精度與成本，他們通過系統的子域縮放分析，確定了一個對稱子區域（模型尺寸N=3，即區域直徑為3倍顆粒直徑）作為最優計算域。在此幾何基礎上，研究運用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）軟件ANSYS Fluent，采用了k-ε湍流模型、基于渦耗散概念（Eddy Dissipation Concept, EDC）的燃燒化學模型以及離散坐標法（Discrete Ordinates, DO）輻射模型。研究重點考察了三個代表性孔雷諾數（Re_p=250, 350, 450）下，考慮與不考慮輻射時，床內的流動、溫度分布、火焰形態及熱傳遞特性。

研究表明，流動呈現出典型的通道化特征，高速流優先沿著相互連通的大孔隙路徑發展。隨著Re_p增加，對流輸運增強，流場在空間上變得更平滑、連通性更好。輻射的引入雖然不改變整體的流動拓撲結構，但會因局部加熱導致氣體粘度增加，從而輕微抑制高速流結構。

軸向和徑向的速度分布均與孔隙度分布表現出強相關性，高速區總是對應于局部高孔隙度區域。燃燒引起的熱膨脹在孔隙約束下導致反應區下游出現明顯的軸向流動加速。高Re_p增強了整體流速，并使軸向速度波動幅度增大，與孔隙度波動的耦合更強。

在不考慮輻射的情況下，化學放熱高度局域化，導致局部溫度峰值（T_max= 2082.8K）很高。輻射的引入通過固體基質的發射、吸收和再輻射重新分配熱能，抑制了極端局部溫度，同時擴展了高溫區域的空間范圍，并形成了明顯的上游高溫區，表明輻射促進了有效的熱再循環。在所有條件下，流體溫度始終高于固體溫度，證實了局部熱非平衡的存在。輻射增強了上游預熱，使兩相溫差減小，但在填充床下游末端，平均溫度比非輻射情況低（分別降低了8.1%， 6.72%， 4.77%）。隨著Re_p增加，溫度峰值向下游移動且幅度降低。

輻射顯著增加了近峰值溫度區（1900-2100 K）的總體積，并使其軸向范圍向上游擴展。隨著Re_p增加，高溫等值面的形心逐漸向下游遷移，且其形態變得更加破碎和不規則。

火焰前鋒主要出現在中下游區域，并表現出明顯的三維不均勻性。孔隙度變化主導了火焰變形：高孔隙度區有利于形成連續的高反應性區域，而低孔隙度區則導致火焰分叉或破碎。隨著Re_p增加，火焰前鋒向下游移動，并從緊湊形態演變為更平滑、彌散的形態。輻射的加入通過強化上游預熱，使反應峰位置提前（例如在Re_p=350時，峰值反應強度位置從Z=45 mm提前到Z=40 mm），并使火焰結構變得更連續、均勻。p=350: (a) no radiation, (b) DO radiation."> 反應熱源的形態也隨Re_p增加而向下游移動并變得更細長，輻射則使上游溫度升高并擴大了有效反應體積。

總熱通量隨Re_p增加而單調增加，而熱釋放率（Heat Release Rate, HRR）則呈現非單調趨勢，在Re_p=350時達到最大，在Re_p=450時下降。輻射的引入使總熱通量在Re_p=250和350時分別增強了89.9%和59.3%，同時使HRR曲線變得更平滑。軸向凈輻射熱通量分布呈現從負值（上游吸收）到正值（下游發射）的轉變，這是輻射熱再循環的直接標志。凈輻射熱通量的大小隨Re_p增加而顯著增加，從Re_p=250時的1589.85 W/m²增至450時的2578.09 W/m²。

本研究通過建立高效的孔尺度數值框架，系統揭示了隨機填充床內預混燃燒的對流-輻射熱再循環機制與火焰形態演化規律。主要結論可歸納為三個方面：首先，隨著孔雷諾數（Re_p）從250增至450，對流增強導致燃燒區向下游移動，高溫區擴大；輻射則通過強化上游預熱和減小熱梯度發揮雙重調節作用，具體表現為使峰值氣體溫度降低，并輕微降低峰值流速。其次，火焰前鋒形態受對流輸運與孔尺度熱再循環競爭的支配。高Re_p使火焰向下游遷移并變得更破碎；而輻射通過強化固體基質的熱再循環，穩定火焰、提前點火，從而產生更連續均勻的火焰結構。最后，對流-輻射耦合從根本上調控著多孔燃燒系統的熱性能。增強的對流提高了總熱通量和輻射熱通量，但熱釋放率（HRR）在過高流速下因停留時間不足而呈現非單調下降。這表明，輻射提高了熱效率和燃燒均勻性，而過度的對流則會限制燃燒完全性。

這項研究的意義在于，它突破了傳統體積平均方法的局限，首次在保證計算效率的前提下，從孔尺度清晰刻畫了隨機填充床內對流與輻射的協同作用機制。研究定量揭示了輻射在促進熱再循環、穩定火焰、優化溫度場分布方面的關鍵角色，為設計高性能、高穩定性的多孔介質燃燒器（如工業加熱器、輻射燃燒器）提供了直接的物理洞察和理論指導。該成果已發表在工程熱物理領域知名期刊《Case Studies in Thermal Engineering》上，為推進高效清潔燃燒技術的發展貢獻了重要的科學依據。