氨-甲醇二元液滴从亚临界状态到超临界状态的相变：一项分子动力学研究

《Proceedings of the Combustion Institute》：Phase transition of ammonia-methanol binary droplets from subcritical to supercritical conditions: A molecular dynamics study

燃烧领域：通过CFD模拟优化设计参数，保持流体动力学特性，实验验证了温度场和物种分布的相似性，证明了该方法的可靠性。

　　随着全球气候变化问题日益严峻，能源行业向低碳化转型的需求不断增长。为了应对这一挑战，科学家们正在积极研究和发展新型燃烧技术，以减少温室气体排放并避免产生固体颗粒物如烟尘和焦炭。在这一背景下，MILD燃烧（Moderate or Intense Low oxygen Dilution Combustion）作为一种具有潜力的燃烧方式，正在成为研究的热点。MILD燃烧的特点在于其能够在较低的氧气浓度下实现燃料的稳定燃烧，同时降低氮氧化物（NO）和一氧化碳（CO）等污染物的生成。这种燃烧模式不仅有助于减少有害排放，还能在多种燃料类型和操作条件下保持良好的燃烧稳定性，为未来的清洁能源技术提供了重要的理论和技术支持。

MILD燃烧的核心在于其独特的燃烧过程，即通过高程度的燃料与废气的混合，以及较低的温度梯度，实现反应区的均匀分布。这种燃烧方式要求燃料和氧化剂在进入燃烧室前，必须形成一定的预混状态，同时通过高比例的废气再循环来维持燃烧过程的稳定。因此，为了实现MILD燃烧，燃烧室的设计需要考虑流体动力学特性，特别是如何通过合理的结构设计来维持足够的再循环效应和稳定的涡旋流动。在这一研究中，科学家们专注于开发一种新型的反应器设计，即实验室规模的环流燃烧器（LUCY燃烧器），其结构设计旨在通过环流流场实现燃烧的稳定性和高效性。

为了验证这种新型燃烧器的缩放可行性，研究团队对LUCY燃烧器进行了缩放设计，并采用计算流体力学（CFD）方法对其流体动力学行为进行了分析。缩放后的燃烧器在尺寸上缩小为原尺寸的一半，同时保持几何比例的一致性。研究过程中，通过调整入口直径、燃烧室高度以及喷嘴与燃烧室壁之间的距离，团队评估了不同参数对燃烧过程的影响。特别是，喷嘴与壁之间的距离被特意增加，以防止可能的壁流效应（wall-jet effect），从而确保燃烧过程的稳定性。通过非反应性CFD模拟，团队对不同设计参数下的流场进行了比较，最终选择了能够维持相似流体动力学特性的最佳设计。

实验部分则进一步验证了缩放燃烧器的性能。实验中，燃烧器采用石英窗进行光学诊断，以便于对燃烧过程进行实时监测。同时，燃烧室内部配备了陶瓷纤维加热器，以维持稳定的温度环境，并通过热电偶测量燃烧过程中的温度分布。实验结果显示，缩放后的燃烧器在温度分布和反应产物生成方面表现出与原燃烧器相似的趋势和数值。尽管缩放燃烧器的平均停留时间约为原燃烧器的一半，但其仍能保持较高的反应效率。这种结果表明，通过合理的缩放设计，可以在不牺牲燃烧性能的前提下，实现燃烧器的小型化和高效化。

然而，实验中也发现了一些值得注意的差异。例如，在氮氧化物（NO）排放方面，缩放燃烧器与原燃烧器表现出不同的分布趋势。这种差异主要源于两种燃烧器在燃料供给方式上的不同。原燃烧器采用非预混供给方式，而缩放燃烧器则采用了预混供给方式。由于供给方式的不同，NO的生成路径也发生了变化。在非预混燃烧模式下，NO的峰值通常出现在燃料贫乏（fuel-lean）条件下，而在预混燃烧模式下，NO的峰值则出现在化学计量比（stoichiometric）附近。这一发现表明，燃料供给方式对污染物排放具有显著影响，同时也为未来燃烧器设计提供了新的思路。

在实验过程中，团队还采用了不同的等当比（equivalence ratio）条件，以分析燃烧器在不同燃料供应比例下的表现。等当比范围从0.5（燃料贫乏）到1.1（燃料富集），覆盖了多种燃烧状态。结果显示，在燃料贫乏和燃料富集条件下，燃烧器的温度分布和反应产物生成趋势基本一致，而NO的排放则因供给方式的不同而表现出不同的行为。这一现象表明，MILD燃烧的稳定性不仅依赖于燃烧器的结构设计，还与燃料供给方式密切相关。

此外，研究团队还特别关注了燃烧器的热效率和热交换特性。由于缩放燃烧器体积较小，其热损失问题可能更为突出。因此，在实验设计中，燃烧器被置于专门设计的隔热结构中，以确保其在运行过程中能够维持稳定的温度场。这种设计不仅有助于减少热损失，还为燃烧器的长期运行提供了保障。通过对比实验，团队发现缩放燃烧器的温度分布与原燃烧器非常接近，且其温度差异控制在较低范围内，表明该缩放方法在热管理方面是成功的。

本研究的主要创新点在于提出了一个基于流体动力学特性的缩放方法，克服了传统缩放策略的局限性。传统缩放方法通常依赖于停留时间或几何相似性，而MILD燃烧的特殊性决定了流体动力学行为在燃烧稳定性中的关键作用。因此，本研究通过优化燃烧器的结构参数，确保缩放后的燃烧器能够维持与原燃烧器相似的流体动力学特性，从而实现燃烧过程的稳定和高效。这一方法不仅为实验室研究提供了新的工具，也为实际应用中的燃烧器设计提供了理论支持。

本研究的意义在于，它为MILD燃烧技术的实际应用提供了一种可行的缩放策略。通过实验和模拟的结合，研究团队验证了该缩放方法的有效性，并展示了其在不同操作条件下的适应性。缩放后的燃烧器在温度分布、反应产物生成和污染物排放方面表现出与原燃烧器高度一致的特性，表明该方法能够成功地将实验室规模的燃烧器应用到更广泛的工程场景中。此外，该研究还强调了燃料供给方式对燃烧过程的影响，为未来燃烧器的优化设计提供了新的视角。

总体而言，本研究不仅在理论层面提出了基于流体动力学特性的燃烧器缩放方法，还在实验层面验证了该方法的可行性。通过详细的CFD模拟和实验测试，研究团队展示了如何在保持燃烧器性能的同时，实现其小型化。这一成果对于推动清洁能源技术的发展具有重要意义，尤其是在减少温室气体排放和提高燃烧效率方面。同时，该研究也为后续的燃烧器设计和优化提供了宝贵的参考，特别是在处理复杂流体动力学行为时，如何在缩放过程中保持关键参数的一致性。