壁面效应下氨掺混比对甲烷/空气预混层流火焰热化学分布及排放特性的影响机理研究

《Fuel》：Thermochemical distribution and emission characteristics of CH 4/air premixed laminar flames with wall effects under varying ammonia ratios

本文通过数值模拟研究了不同氨掺混比（0%-25%）下甲烷-氨-空气预混层流火焰与壁面的相互作用。研究发现，氨掺混通过影响自由基反应（如NHx+OH）改变局部热释放率，并调控CO/NO生成路径（以Thermal-NOx和HNO路径为主）。壁面淬火效应会促进淬火点处CO和NO的生成，而NHx路径在特定温度下对NO消耗具有临界平衡作用，为低碳燃料燃烧优化提供了理论依据。

　　

Section snippets

Calculation model

基于Jainski等人开发的通用侧壁淬火（SWQ）燃烧器简化结构，本研究构建了受侧壁影响的层流二维甲烷-氨火焰数值模型。模型示意图如图1所示（注：图示已省略）。为实现充分预混，实验中圆形管状燃烧器长度设为40毫米，燃料气流在管道出口形成抛物线分布。选取管道中心线与壁面的交点作为坐标原点，燃烧器内径为3.6毫米，壁面高度为10毫米。计算域整体尺寸为15毫米×10毫米，采用结构化网格进行划分，近壁区域进行加密处理以捕捉淬火细节。

The influence of ammonia concentration on temperature distribution and wall heat flux

图5展示了不同氨掺混比例下侧壁甲烷-空气预混火焰的温度和OH浓度分布云图（注：图示已省略）。火焰整体结构呈现不对称的“V”形，固定陶瓷杆将火焰分为左右两部分，左侧分支与壁面发生反应。壁面抑制了预混火焰的扩张并促使气流方向改变，在下游形成狭窄的扇形未燃烧区。当氨掺混比增加时，火焰锋面与壁面的接触点向上游移动，淬火距离逐渐缩短。OH自由基的高浓度区域随氨含量增加而收缩，表明氨的加入抑制了火焰的氧化反应强度。壁面热通量分析显示，氨掺比升至25%时，峰值热通量较纯甲烷火焰下降约18%，这与NH₃+OH→NH₂+H₂O等吸热反应的增强密切相关。

Conclusion

本研究通过数值模拟分析了不同氨掺混比下甲烷-空气层流火焰与壁面的相互作用，重点探讨了氨比例对火焰温度分布、壁面热通量的影响，并揭示了近壁区CO/NO的热化学分布规律。结果表明：氨掺混会显著改变火焰的局部反应路径，其中Thermal-NO_x和HNO路径是NO生成的主要途径，而NH_x路径在5%-20%掺比下对NO消耗存在临界温度平衡效应。这些发现为理解氨-甲烷混合燃料在实际燃烧器中的污染物控制提供了重要参考。