低温氢喷射调控涡流稳定燃烧器中火焰动态以实现航空低碳推进

《Proceedings of the Combustion Institute》：Flame control by low-temperature hydrogen injection in a trapped vortex combustor

针对航空氢燃料燃烧系统面临的回火挑战及高NOx排放问题，本研究通过大涡模拟（LES）结合欧拉随机场（ESF）方法，探究了低温（≈150 K）富氢预混火焰在涡流稳定燃烧器（TVC）中的稳定性与排放特性。研究发现低温注入可有效抑制火焰不稳定性，降低热力型NOx生成，为氢燃料航空发动机的低排放设计提供了关键理论依据。

　　

随着航空业向可持续能源转型，氢燃料因其高比能和零碳排放特性成为理想选择。然而，氢燃料的高扩散性、低分子量及宽可燃范围使其在燃烧系统中易引发回火和稳定性问题，同时较高的绝热火焰温度加剧了热力型NO_x（通过Zeldovich机制）的生成，难以满足严苛的航空排放标准。涡流稳定燃烧器（Trapped Vortex Combustor, TVC）凭借其优异的火焰锚定能力和低压力损失，成为解决氢燃烧挑战的有效方案，但其在富氢条件下的动态特性与排放机制尚不明确。

为探究低温氢喷射对富燃火焰稳定性和排放的影响，研究团队通过大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）结合欧拉随机场（Eulerian Stochastic Fields, ESF）方法，对模型富燃-淬熄-贫燃（Rich-Quench-Lean, RQL）燃烧器中的氢/空气燃烧过程进行了数值研究。相关工作发表于《Proceedings of the Combustion Institute》。

研究采用基于Favre滤波的Navier-Stokes方程描述多组分反应流动，亚网格应力通过WALE模型封闭，化学反应通过Konnov机制（8种组分+28步反应）描述。ESF方法用于直接求解滤波后的组分输运方程，避免了传统燃烧模型对特定燃烧模式的依赖。几何模型基于实验装置构建，包含主气流通道和TVC空腔，通过参数化研究对比了不同当量比（φ_rich=3、5）和注入温度（150 K、300 K）下的火焰行为。

2.1. 控制方程

质量、动量和组分方程通过滤波形式求解，其中亚网格粘度通过WALE模型计算，组分扩散采用恒定Lewis数假设，氮气质量分数用于强制质量守恒。能量方程包含热传导、物种扩散和化学反应源项，物性参数通过Sutherland定律和JANAF多项式计算。

2.2. 燃烧模型

研究对比了动态增厚火焰模型（DTFM）和ESF方法。DTFM通过效率因子E和增厚因子F修改火焰参数（扩散系数、火焰速度和厚度），使火焰前沿可解析；ESF方法通过随机场表征滤波概率密度函数（FDF），直接求解化学源项，适用于预混和扩散火焰模式。

3.1. 模拟设置

几何模型基于大气TVC实验台，富燃预混氢/空气混合物通过空腔底部狭缝注入，主气流为300 K空气。通过随机斑点法生成湍流入口条件，网格分辨率确保壁面y⁺≈1且火焰厚度内至少2个网格点。参数研究包括验证案例（V，氢/甲烷混合）和三个氢燃料案例（S1-S3），重点关注低温（150 K）和当量比（φ_rich=3、5）的影响。

4.1. 与实验数据验证

ESF模型与实验数据和高速度CH^*化学发光测量结果吻合良好。火焰分为三个区域：空腔内预混火焰前沿、主气流中预混火焰和空腔内扩散火焰。ESF模型准确捕获了空腔内的富燃预混火焰结构，但低估了扩散火焰区域，因该区域涉及H₂中间产物和高扩散性。

4.2. 氢燃料RQL-TVC基线设计及低温注入效应

纯氢注入时，高扩散性导致过量氢迁移至主气流剪切层，形成扩散火焰。动量通量比J=10时空腔行为从“深”转为“浅”，引发涡脱落；调整为J=1后稳定性改善。低温注入（150 K）显著增加火焰皱褶和热释放波动，因密度比σ（反应物/产物）增大触发Darrieus-Landau不稳定性（DLI）和斜压涡量生成。

4.3. 低温下当量比的影响

当量比从φ=5降至3时，火焰稳定性恢复，因火焰速度增加和厚度减小抑制了DLI。尽管绝热火焰温度升高（T_ad≈1648 K），但火焰表面积减半（Σ从35.64 cm²降至10.92 cm²），部分抵消了NO生成潜势。

研究结果表明，低温氢喷射可通过调节密度比和火焰动力学实现火焰稳定性和排放的平衡。在φ=5和150 K条件下，DLI主导的皱褶增强了湍流燃烧速率，但伴随大幅温度波动；φ=3时火焰稳定，且低火焰表面积有助于控制NO生成。该研究为氢燃料RQL-TVC设计提供了关键见解，强调了低温注入在抑制回火和降低NO_x方面的潜力。然而，氢的高扩散性导致的剪切层扩散火焰仍需进一步解决。这项工作通过高保真模拟揭示了氢燃烧的复杂湍流-化学反应相互作用，为航空氢推进系统的优化奠定了理论基础。