氧甲基二甲醚（OME）-柴油混合物对燃烧和降烟特性的影响：实验与动力学研究

《Proceedings of the Combustion Institute》：The impact of oxymethylene dimethyl ether (OME x)-diesel blends on combustion and soot-reduction characteristics: experimental and kinetic investigations

提高氨燃烧效率并减少NOx排放的可行性研究。通过数值模拟分析反应分层火焰在不同温度（300-600K）、压力（1-5bar）和下游氢体积比（0-0.4）下的火焰速度及污染物生成规律，发现分层火焰在低温低压且下游氢含量低时效果显著，主要因氢分子选择性扩散削弱逆火效应，而热扩散影响可忽略。验证了混合平均扩散模型的有效性，并证明化学机制对结果影响较小。

　　在当今对碳中性能源的迫切需求推动下，氨（NH?）作为一种具有潜力的替代燃料，正逐渐受到燃烧研究领域的关注。尽管氨燃烧在实现零碳排放方面具有优势，但其燃烧反应性较低，这在一定程度上限制了其在内燃机和燃气轮机等实际设备中的应用。为了提升氨的燃烧性能，科学家们提出了一种基于反应性分层的燃烧策略，通过将高反应性的氢（H?）/空气火焰引入低反应性的氨/空气混合物区域，以增强燃烧速率并显著降低氮氧化物（NOx）的排放。该研究发现，在不同工况条件下，反应性分层火焰的性能存在显著差异，特别是随着未燃烧气体温度、压力以及下游混合物中氢气体积比的变化，其对火焰传播速度和污染物生成的影响也发生变化。

本研究重点分析了反应性分层火焰在不同未燃烧气体温度（从300 K到600 K）、压力（从1 bar到5 bar）以及下游混合物中氢气体积比（从0到0.4）下的表现。结果显示，随着未燃烧气体温度的升高、压力的增加或下游混合物中氢气体积比的增大，反应性分层配置的优势逐渐减弱。这是由于在这些条件下，氢气的差异扩散效应（differential diffusion effect）变得不那么显著。差异扩散主要指的是氢气（H?）和氢分子（H?）在燃烧区域中的优先扩散，这种效应有助于增强火焰传播速度并减少污染物的生成。然而，当温度或压力升高，或氢气比例增加时，这种效应的强度下降，导致分层火焰的性能不如在标准工况下表现得那么理想。

在分析过程中，研究者还评估了分子扩散（包括差异扩散和热扩散，即Soret效应）对火焰传播速度和污染物生成的影响。结果表明，差异扩散在分层火焰中对火焰传播速度和污染物生成具有重要作用，而热扩散的影响则相对较弱。这意味着在设计反应性分层系统时，差异扩散的控制可能是提升燃烧效率和减少排放的关键因素。同时，研究还强调了分子扩散模型的选择对计算结果的重要性，指出使用混合平均模型（MA）可以有效模拟分层火焰的行为，而Soret效应在1D火焰模型中可以忽略不计。

在实际应用中，反应性分层火焰可以通过多种方式实现，例如采用预燃室辅助点火和燃烧技术，其中预燃室中的氢气/空气火焰传播至主燃烧室，从而点燃并增强氨/空气混合物的燃烧过程。此外，反应性分层策略也被应用于双燃料压燃发动机（RCCI）和燃气轮机中，显示出其在实际工程中的巨大潜力。这些技术的核心在于通过控制燃料的混合比例和分布，优化燃烧过程，从而在提高效率的同时降低污染物排放。

本研究通过数值模拟的方法，对不同条件下的反应性分层火焰进行了系统分析。使用自建的燃烧求解器DINO，研究者对多个案例进行了仿真，其中包括不同温度、压力和氢气体积比的条件。结果显示，当未燃烧气体温度升高时，分层火焰的传播速度变化幅度减小，表明温度对分层火焰的影响较为复杂。在高压力条件下，分层火焰的传播速度增强效果减弱，甚至在某些情况下完全消失，这可能与气体密度的增加和扩散速率的降低有关。对于下游混合物中氢气体积比的增加，研究发现分层火焰的传播速度增强和减弱的幅度都减小，表明氢气的添加对分层火焰的影响存在一定的阈值，超过这一阈值后，分层配置的优势不再明显。

进一步分析显示，分子扩散模型对分层火焰的传播速度和污染物生成具有显著影响。通过比较混合平均模型（MA）、统一莱斯数模型（UL）和非统一莱斯数模型（CL），研究者发现差异扩散效应在分层火焰中起主导作用，而莱斯数的变化对火焰传播速度的影响较小。这表明，在实际设计中，如果能够准确模拟差异扩散效应，就可以更有效地预测和优化反应性分层火焰的性能。同时，研究还发现，Soret效应在1D火焰模型中几乎可以忽略，但在二维或三维湍流火焰中可能发挥更重要的作用，因此在实际应用中需要综合考虑。

在污染物生成方面，研究发现分层火焰在大多数情况下均能有效减少NO和NO?的生成。这主要归因于差异扩散效应对燃烧过程的调控，使得燃烧区域中的化学反应路径发生变化，从而降低污染物的生成速率。然而，在某些极端条件下，如高温度、高压力或高氢气体积比，污染物生成速率有所上升，这可能与燃烧过程的不稳定性或反应速率的增加有关。因此，在实际应用中，需要综合考虑工况条件，以确保反应性分层配置能够发挥最佳的燃烧性能和环保效益。

此外，研究还验证了不同化学机制对分层火焰性能的影响。结果表明，当前使用的Jiang机制与其他机制在火焰传播速度和污染物生成方面的预测结果基本一致，说明该机制在分层火焰分析中具有较高的可靠性。这种一致性进一步支持了研究结论的科学性和实用性，为后续在实际设备中应用反应性分层燃烧策略提供了理论依据。

总体而言，本研究揭示了反应性分层火焰在不同工况条件下的性能变化规律，强调了差异扩散效应在提升燃烧效率和减少污染物生成中的关键作用。研究结果不仅为氨与氢混合燃烧技术的优化设计提供了重要参考，也为实际工程应用中的燃烧控制策略奠定了理论基础。未来的研究可以进一步探索二维和三维条件下的Soret效应，以及不同化学机制对分层火焰性能的潜在影响，以期在更广泛的应用场景中实现更高效的燃烧过程和更低的排放水平。