甲烷/氢气部分预混燃烧器中混合特性的实验与数值研究：降低NOx排放的关键路径

针对氢燃料高反应性导致的闪回风险及NOx控制难题，荷兰代尔夫特理工大学团队通过实验与LES（大涡模拟）结合，探究了CH4/H2混合燃料在旋流交叉流中的混合机制。研究发现低密度燃料（如H2）因分子扩散增强和离心力作用更易均匀混合，且动量通量比Jswirl超过临界值后混合效率趋于稳定，为燃料灵活型燃烧器设计提供了关键理论支撑。

　　

氢能作为碳中和关键能源，其燃烧特性却成为技术瓶颈——氢的高火焰速度易引发闪回（flashback），而传统完全预混燃烧又难以控制NO_x生成。更复杂的是，当前能源转型期需燃烧系统兼容CH₄与H₂混合燃料，但两者密度、扩散系数差异显著影响混合均匀性，进而左右NO_x排放和燃烧稳定性。代尔夫特理工大学团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究，通过创新性结合光学实验与大涡模拟，揭示了旋流场中燃料混合的调控规律。

研究采用氦气/空气模拟CH₄/H₂混合燃料，通过DEHS（二乙基己基癸二酸酯）颗粒示踪和PIV（粒子图像测速）获取混合场与流场数据，并利用LES模拟多组分输运过程。关键方法包括：1）构建带轴向旋流器的模型燃烧器；2）变燃料组分（0-100% H₂）与动量通量比（J_swirl=0.28-12.6）参数矩阵；3）基于空间非混合度（U_s）量化混合质量。

【主要结果】

1. 流动场验证：LES准确预测了旋流诱导的中央回流区（CRZ）位置，与PIV测量的速度场误差<9%，证实模型可靠性。
2. 氦气替代有效性：对比H₂与He的混合特性，发现两者宏观混合行为相似，但H₂因更低密度在管壁处富集程度比He高21%，验证了氦气作为示踪剂的可行性。
3. 燃料组分效应：80% H₂混合燃料的U_s值（0.05）比纯CH₄（0.055）更低，且100% H₂时混合最快（U_s=0.025），归因于H₂的高扩散系数（D_H2≈4×10^-5 m²/s）削弱了离心分层效应。
4. 动量通量阈值：当J_swirl>10时，混合效率对J_swirl变化不敏感，因燃料射流已充分穿透旋流场。

【结论】
研究首次阐明旋流场中燃料密度与扩散系数对混合的主导作用：低密度燃料（H₂）通过增强分子扩散（贡献度提升37%）抵抗离心分层，而高J_swirl主要影响射流初始穿透深度。该发现为设计适应0-100% H₂的燃烧器提供了两条黄金法则：1）优先优化燃料组分而非喷射动量；2）在混合管出口设置湍流增强结构以消除残余分层。这项研究从混合源头降低了NO_x生成潜力，为氢能基础设施过渡期的燃烧技术提供了关键解决方案。