氢燃料环形燃烧室的点火动力学

《Proceedings of the Combustion Institute》：Ignition dynamics of a hydrogen-fueled annular combustor

氢燃料 annular combustor 自传火动态研究表明，通过MICCA设备采用16个涡旋喷嘴喷射纯氢，利用OH*成像技术发现点火延迟（18-35ms）显著低于烃类燃料，且随当量比升高和喷射速度增大而减小。建立结合高/低层流燃烧速度的湍流燃烧速度模型，成功关联火焰位移速度与热膨胀效应，为氢能燃烧系统设计提供理论支撑。

　　氢气作为一种潜在的替代燃料，正被越来越多地应用于燃气轮机和航空发动机中，以实现交通和能源行业的脱碳目标。然而，氢气燃烧的特性也带来了许多科学挑战，例如其广泛的可燃范围和容易引发燃烧不稳定性的倾向。为了确保氢燃料系统的安全运行，有必要研究氢气在工业相关的环形燃烧室中的燃烧行为。本文通过在MICCA设施中进行实验，探讨了氢气驱动环形燃烧室的“轻燃”（light-round）点火动力学。

轻燃是指在点火过程中，火焰从一个燃烧器逐步扩展到整个燃烧室的过程。这一过程对于理解氢气燃烧特性至关重要，尤其是在涉及多个燃烧器的复杂系统中。由于氢气的燃烧特性与传统碳氢燃料存在显著差异，如较高的层流燃烧速度、较高的绝热燃烧温度以及较大的扩散特性导致的莱维数（Lewis number）偏离1，这些因素都可能引发热扩散不稳定性。因此，研究氢气在环形燃烧室中的点火行为，不仅有助于提升燃烧效率，还能为防止燃烧不稳定提供理论依据。

本文的研究基于MICCA设施，该设施配备了16个氢气注入单元。每个注入单元中，氢气在旋流空气中以跨流方式被输送。实验中使用了高速摄像机，并配备了OH*滤波器，以捕捉点火过程中的火焰动态。通过这种方式，研究人员能够详细观察火焰从点火开始到完全形成所需的时间延迟。实验结果显示，氢气的轻燃延迟时间相对较短，从18毫秒到35毫秒不等，这明显低于碳氢燃料的轻燃延迟时间。此外，研究还发现，在低当量比条件下，虽然火焰可以启动，但并不总是能够形成完整的火焰结构。这表明，当量比对点火过程具有重要影响。

随着当量比的增加，轻燃延迟时间显著减少。同时，在当量比保持不变的情况下，提高入口速度也能够缩短轻燃延迟时间。这些结果揭示了入口速度和当量比在轻燃过程中的关键作用。为了进一步理解这些现象，研究人员建立了一个理论模型，该模型结合了两种层流燃烧速度的表达式，分别对应于高和低值的莱维数。通过这个模型，可以合理地解释氢气在轻燃过程中火焰位移速度的变化，并据此推导出一个适用于实验数据的轻燃延迟时间相关性。

在实验中，研究人员还发现，火焰位移速度与层流燃烧速度和流动速率之间存在正相关关系。这意味着，当层流燃烧速度和流动速率提高时，火焰能够更快地在燃烧室内扩展。此外，实验还表明，新鲜气体被火焰前沿推进并排出燃烧室，这一过程对火焰位移速度有重要影响。墙温的变化也对轻燃延迟时间产生显著影响，较高的墙温有助于加快火焰的扩展速度。

为了验证这些理论模型，研究人员在实验中使用了大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法，该方法能够提供与实验数据相匹配的结果。通过这些模拟，研究人员能够更深入地理解燃烧过程中各种因素的相互作用，例如火焰前沿的运动、新鲜气体的流动以及墙温的影响。此外，实验还涉及了不同类型的燃烧器，如带有钝体的燃烧器，这些燃烧器能够产生不同的流动模式，从而影响火焰的扩展速度和轻燃延迟时间。

在某些实验中，研究人员还考察了氢气与其他燃料混合的情况，例如氢气与甲烷或氨气的混合气体。这些实验表明，随着氢气浓度的增加，火焰位移速度也会相应提高。这一现象可以归因于氢气的热扩散不稳定性效应，而这种效应可以通过有效莱维数的缩放模型进行解释。这为设计和优化氢气混合燃料的燃烧系统提供了新的思路。

本文的实验配置主要集中在氢气驱动的环形燃烧室上，其中使用了称为“707”的旋流器。该旋流器能够产生一个顺时针旋转的气流，其旋流数为0.60，压力降系数为3.25。这些参数对燃烧室内的流动结构和火焰扩展具有重要影响。通过调整氢气的注入速度和当量比，研究人员能够系统地研究不同条件下轻燃过程的行为。实验结果表明，氢气的轻燃过程虽然比碳氢燃料更快，但仍然包含了相似的阶段，如火焰核的形成、火焰的扩展、火焰的分裂以及火焰的稳定。

此外，本文还探讨了轻燃过程中的火焰结构变化。通过高速摄像机捕捉的OH*发射图像，研究人员能够观察到火焰在燃烧室内的传播路径和形态。这些图像显示了火焰在点火后如何从一个燃烧器逐步扩展到整个燃烧室，并在不同条件下表现出不同的行为。例如，在某些情况下，火焰可能在燃烧室内形成多个分支，而在其他情况下，火焰可能保持较为集中的形态。

为了进一步验证这些观察结果，研究人员还进行了理论分析。他们认为，火焰的绝对位移速度由两个部分组成：燃烧后的气体速度和火焰前沿的正常速度。燃烧后的气体速度是由于燃烧反应产生的膨胀效应，而火焰前沿的正常速度则与燃烧室内流动的特性密切相关。通过分析这两个速度的相互作用，研究人员能够建立一个合理的理论模型，以预测氢气在不同条件下的轻燃延迟时间。

本文的研究具有重要的创新意义，因为它首次系统地探讨了纯氢驱动的环形燃烧室的轻燃点火动力学。此前，关于氢气在环形燃烧室中的点火行为的研究非常有限，仅有少数实验点被报道。而本文通过系统的实验设计，提供了全面的数据，揭示了不同参数对轻燃过程的影响。这些结果不仅有助于理解氢气燃烧的基本机制，还为未来氢气燃烧系统的优化设计提供了重要的理论支持。

总的来说，本文的研究为氢气在环形燃烧室中的点火行为提供了深入的分析和实验验证。通过结合实验观察和理论模型，研究人员能够更准确地预测氢气燃烧过程中的关键参数，如轻燃延迟时间和火焰位移速度。这些发现对于推动氢气作为清洁能源的应用具有重要意义，特别是在需要高燃烧效率和稳定性的工业和航空领域。未来的研究可以进一步探讨氢气与其他燃料混合后的燃烧特性，以及在不同流动条件下点火行为的变化，以期为氢气燃烧技术的发展提供更多支持。