入口直径对含被动EGR通道氢燃料微燃烧室低可燃极限的影响：扩散热不稳定性与湍流相互作用的DNS研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Impact of inlet diameter on the lower combustible limit of a hydrogen-fueled micro-combustor with a passive EGR channel

本文通过直接数值模拟（DNS）深入探讨了贫燃氢空气火焰在湍流场中扩散热不稳定性（DTI）的表现及其与湍流的相互作用。研究揭示了在低卡洛维茨数（Ka）条件下DTI主导火焰表面形成大尺度规则褶皱，而随着Ka增大（Ka > 3.5），湍流作用逐渐抑制DTI，火焰形态转为不规则小尺度褶皱。该发现为理解Le数（Lewis number）远小于1的燃料在湍流燃烧中燃烧速率显著提升的机制提供了关键依据，并验证了DTI重要性临界Ka判据的合理性。

　　

Highlight

结果与讨论

图1(a)和(b)分别展示了归一化燃烧速度U_L(t)/S_L的典型演化过程以及色散关系ω(k)。色散关系的计算是通过设定k=2π/Λ，改变域宽Λ，并将得到的U_L(t)/S_L曲线用方程ln[U_L(t)/S_L - 1] ∝ 2ωt进行拟合得出的，该方程源于火焰不稳定性理论。这些结果的有效性得到了以下事实的验证：先前从二维不稳定的贫氢空气层流火焰计算中已经获得了非常相似的色散关系。

结论

从弱湍流火焰（u′/S_L ≤ 1 且 Ka ≤ 1.5）获取的DNS数据显示，瞬时火焰表面以规则的大尺度褶皱为主。此外，这些湍流火焰与不稳定层流火焰中燃料消耗率的局部扰动幅度相近。这些发现表明，在此类条件下，扩散热不稳定性（DTI）主导了湍流。

从其他已研究的湍流火焰获取的DNS数据显示，瞬时火焰表面出现了不规则的小尺度褶皱，但缺乏与不稳定层流火焰相关的规则大尺度褶皱。这一观察结果表明，扩散热不稳定性（DTI）的作用随着Ka的增加而减弱。由于所分析的DNS数据在Ka > 3.5时没有显示出该不稳定性起重要作用的任何明显迹象，因此这些数据与最近提出的层流火焰不稳定性在湍流中重要性的判据是一致的。