湍流甲烷火焰稳定性极限的数值模拟研究：临界直径与燃烧半岛曲线的CFD预测

本研究针对工业安全中非预混湍流甲烷火焰的稳定性预测难题，开发了基于realizable k-ε模型和EDC燃烧模型的CFD方法，首次数值重现了"燃烧半岛"形稳定性曲线，确定临界直径为42mm（与实验误差<5%），为天然气管道泄漏、火炬设计等工程应用提供了可靠预测工具。

　　

在能源工业与化工安全领域，甲烷火焰的稳定性直接关系到管道泄漏、火炬排放等场景的安全风险评估。尽管前人通过实验观察到甲烷火焰存在独特的"燃烧半岛"现象——即在特定压力-直径组合下火焰会突然熄灭，形成类似地图上半岛形状的稳定性边界曲线，但对其内在机理的数值模拟始终存在挑战。传统实验方法难以捕捉瞬态燃烧细节，而全尺度三维模拟又面临巨大计算成本。更棘手的是，决定安全设计的关键参数"临界直径"（即保证火焰稳定的最小喷嘴尺寸）在不同研究中存在41-45mm的差异，这使得工程应用缺乏统一标准。

针对这一难题，由北京理工大学（作者单位）Mina Kazemi、Sile Brennan和Vladimir Molkov组成的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表重要成果。研究团队创新性地将realizable k-ε湍流模型与涡耗散概念(Eddy Dissipation Concept, EDC)燃烧模型耦合，通过压力基瞬态求解器模拟了15-45mm喷嘴、0.01-20MPa压力范围内的甲烷燃烧过程。研究特别采用离散坐标(Discrete Ordinates, DO)辐射模型处理火焰辐射传热，并通过网格独立性验证（80k至1M网格对比）确保结果可靠性。

关键技术方法包括：1）建立包含102mm管道与锐缘喷嘴的三维几何模型；2）采用realizable k-ε模型捕捉湍流效应；3）通过EDC模型耦合有限速率化学反应；4）使用DO辐射模型计算辐射传热；5）采用2200K温度场瞬时点火策略模拟火焰发展过程。

网格与时间步长验证
通过1mm喷嘴甲烷释放实验验证，发现中等网格（40万单元）即可准确预测浓度衰减曲线，轴向温度分布与实验误差<10%。时间步长研究表明10^-6
s可避免数值不稳定导致的虚假熄火。

火焰稳定性机制
模拟成功再现了实验观察到的"燃烧半岛"现象：直径<42mm时，0.2MPa压力下出现熄火（如41mm案例温度骤降至环境温度）；而≥42mm时火焰持续稳定。水平与垂直释放对比证实临界直径与方向无关。

关键参数验证
对50mm喷嘴/5.88MPa工况的模拟显示，火焰长度51.2m、抬升高度7.2m与天然气火焰实验数据偏差<10%，首次实现高压工况的定量预测。

燃烧曲线构建
通过38组不同参数模拟，完整绘制出压力-直径稳定性曲线，发现38mm喷嘴在0.1MPa和1MPa下稳定燃烧，但在0.2MPa时熄火，完美复现实验观测的非线性特征。

这项研究的意义在于建立了首个经实验验证的甲烷火焰稳定性预测工具，其42mm临界直径的确定解决了工程设计中长期存在的标准不统一问题。该方法计算效率高（单工况3天完成），可直接应用于天然气管道安全设计、火炬系统优化等领域。特别值得注意的是，该模型框架已成功扩展至氢-甲烷混合燃料研究，为能源转型中的氢能混输提供了关键技术支撑。未来通过引入更精细的湍流模型与详细化学反应机理，有望进一步提升对火焰瞬态行为的预测精度。