关于贫氢燃烧中热扩散不稳定性的实验研究

《Engineering》：Experimental Insights into Thermodiffusive Instabilities in Lean Hydrogen Combustion

氢气/空气火焰中热扩散不稳定性（TDI）与湍流相互作用的研究。通过层流Bunsen火焰、湍流射流燃烧器及内燃机实验，结合1D拉曼/雷利散射、2D雷利温度场及激光诱导荧光（LIF）技术，系统分析了不同湍流强度（Ka数1-2140）下TDI对火焰结构、温度及化学计量比的影响。研究发现：低湍流时（Ka<100），TDI导致火焰前缘分形为正曲率（聚焦燃料/热）和负曲率（分散燃料/热）区域，引发局部超adiabatic温度及高NOx生成；高湍流时（Ka>100），湍流混合主导，TDI效应减弱，火焰结构趋于均匀。在发动机条件下（压力20bar），转速降低（400rpm）时湍流较弱，TDI更显著，而高转速（800rpm）湍流增强抑制了TDI。提出基于雷利散射与OH/LIF强度梯度的TDI量化方法，为氢能燃烧系统优化提供实验依据。

　　### 氢气燃烧中的热扩散不稳定性与湍流相互作用的实验研究

随着能源系统转型的推进，化学能储存技术在应对可再生能源间歇性和地理分布不均性方面扮演着越来越重要的角色。氢气作为一种极具潜力的化学能载体，因其碳中和的特性以及广泛的适用性，被广泛认为是未来能源系统中极具前景的选择。绿色氢气，即通过可再生能源电力驱动电解装置生产的氢气，可以在多种应用中使用，包括固定式燃气轮机、航空发动机、内燃机（IC）和工业燃烧器等。然而，由于氢气的高扩散性和高反应性，现有的大多数燃烧技术在使用氢气时都需要进行大量调整。特别是在富氢燃烧中，燃烧的热扩散不稳定性（TDI）成为影响火焰结构和燃烧性能的关键因素。

热扩散不稳定性是一种在氢气/空气混合燃烧中普遍存在的现象，主要由Lewis数（Le）小于1所引起。Lewis数是热扩散率与质量扩散率的比值，表示热和质量在燃烧过程中扩散的相对速率。当Le小于1时，意味着质量扩散快于热扩散，这种不平衡会导致火焰结构的扭曲。在正曲率区域（即火焰凹陷处），氢气快速扩散至已燃烧区域，而热则相对缓慢地向相反方向传递，从而导致局部燃料和热量的聚集，形成高当量比（?）和高温的区域。这些区域燃烧更为剧烈，传播更远，从而加剧正曲率。相反，在负曲率区域（即火焰尖角处），氢气和热量被分散，导致局部反应性降低，燃烧速率变慢，进一步加深负曲率。这种正反馈机制强化了火焰曲率的不对称性，导致火焰表面扰动不断放大，从而形成不稳定的火焰结构。

### 湍流对热扩散不稳定性的影响

在实际燃烧系统中，湍流被广泛用于提高燃料的消耗速率，从而增强火焰表面面积。根据Damk?hler第一假设，湍流能够显著增加燃烧反应速率，提高火焰的稳定性。然而，湍流与热扩散不稳定性之间的相互作用仍然是一个复杂的问题。尽管理论和数值研究已经预测了在高湍流强度下，热扩散不稳定性可能会被抑制，但这一现象在实验上的验证仍存在挑战。这主要是因为高湍流强度通常难以在实验室环境中再现，同时，进行精确的氢气燃烧实验还面临着严格的安全要求。

为了解决这一问题，本研究采用了一种系统性的实验方法，通过三种不同的燃烧配置：① 层流火焰作为基准参考；② 大气湍流喷射火焰；③ 高压下的扩展湍流火焰，来探讨热扩散不稳定性与湍流之间的相互作用。这些配置分别代表了不同的燃烧环境，从实验室条件到实际应用条件。研究重点在于如何通过实验手段量化热扩散不稳定性对火焰结构和燃烧特性的影响，并探讨湍流强度和湍流特性如何影响热扩散不稳定性。

### 实验装置与操作条件

本研究中使用了三种主要的燃烧装置：层流Bunsen喷射燃烧器（LBJB）、喷射湍流燃烧器（PTJB）和光学内燃机（ICE）。LBJB用于研究层流条件下的热扩散不稳定性，其特点是能够产生具有特征性细胞结构的火焰。PTJB则用于研究高Karlovitz数下的湍流条件，能够稳定富氢混合火焰并扩展至分布式燃烧区域。ICE则用于模拟实际燃烧环境，特别是在高压条件下的火焰结构演变。通过改变不同的操作参数，如进气速度、氢气含量和发动机转速，研究了湍流对热扩散不稳定性的影响。

### 实验方法与数据处理

为了测量热扩散不稳定性，研究采用了多种激光诊断技术，包括一维Raman/Rayleigh光谱、二维Rayleigh热计量、OH平面激光诱导荧光（PLIF）和高速SO?-PLIF。这些方法能够提供火焰结构和热化学状态的实时数据，从而帮助研究人员理解热扩散不稳定性在不同燃烧条件下的表现。例如，通过一维Raman/Rayleigh光谱，研究人员可以测量温度和主要物种（如H?、O?、N?和H?O）的摩尔分数，从而计算局部当量比（?）。同时，二维Rayleigh热计量能够可视化火焰结构，并量化温度场的变化。

在数据处理方面，研究采用了一系列先进的算法，包括小波去噪和混合矩阵求逆法，以提高数据的准确性和分辨率。此外，为了减少背景噪声，研究还使用了定制的旋转机械快门，从而提高了图像的质量。通过这些方法，研究人员能够清晰地观察到火焰结构的变化，并量化热扩散不稳定性的影响。

### 实验结果与讨论

实验结果表明，在低湍流强度下，热扩散不稳定性对火焰结构的影响显著。例如，在层流Bunsen火焰中，正曲率区域（凹陷）表现出较高的OH-PLIF强度，而负曲率区域（尖角）则表现出较低的强度。这种差异与氢气的高扩散性和热的相对缓慢传递有关。随着湍流强度的增加，热扩散不稳定性的影响逐渐减弱。在高湍流强度下，火焰结构变得更为均匀，局部当量比的变化也变得不明显。

在喷射湍流火焰中，研究发现随着湍流强度的增加，火焰曲率的变化更为显著。特别是在高Karlovitz数下，火焰表面的扰动变得更加复杂，但热扩散不稳定性的影响逐渐被湍流所主导。例如，在高湍流条件下，氢气的摩尔分数在火焰区域内的变化趋于均匀，局部当量比的变化也减少。这种现象表明，当湍流强度足够高时，热扩散不稳定性对火焰结构的影响变得微乎其微。

在内燃机（ICE）实验中，研究通过SO?-PLIF图像的强度梯度与火焰曲率之间的相关性，量化了热扩散不稳定性的影响。实验结果显示，随着发动机转速的增加，热扩散不稳定性的影响逐渐减弱。这可能是由于湍流强度的增加，使得分子扩散过程被湍流所主导。此外，研究还发现，尽管在高转速下热扩散不稳定性的影响减弱，但其对火焰速度和NOx排放的影响仍然存在。

### 结论

本研究通过系统性的实验方法，探讨了氢气燃烧中热扩散不稳定性与湍流之间的相互作用。研究结果表明，在低湍流强度下，热扩散不稳定性对火焰结构和燃烧特性的影响显著，而在高湍流强度下，这种影响逐渐被抑制。通过不同的燃烧配置和激光诊断技术，研究人员能够清晰地观察到热扩散不稳定性在不同条件下的表现，并量化其影响。这些结果为优化氢气燃烧系统提供了重要的实验依据，特别是在提高燃烧效率和减少污染物排放方面。此外，研究还指出，在高压和高湍流条件下，传统的火焰模型可能不再适用，需要进一步的研究和改进。因此，进一步探讨热扩散不稳定性在实际燃烧系统中的影响，对于开发更高效的氢气燃烧技术具有重要意义。