Damkohler数效应对纳米颗粒引发的混合氢火焰的影响

《Fuel》：Damkohler number effect on nanoparticle seeded blended hydrogen flames

本研究通过高速成像和OH-PLIF诊断，探究乙炔黑纳米颗粒在甲烷及甲烷-氢火焰中对燃烧稳定性和火焰结构的影响，发现纳米颗粒能显著减少火焰几何皱褶，提高稳定性，其与氢的协同效应随浓度增加而递减。

　　
该研究针对预混甲烷及甲烷-氢气混合燃料在低旋流燃烧器中的火焰稳定性与结构特性展开系统性分析，重点探讨了纳米粒子播种技术对燃烧过程的影响机制。研究团队通过36种工况对比实验，构建了包含纯甲烷燃料及不同氢气掺混比例（体积分数0-50%）的燃料体系，在当量比0.6-1.1范围内系统考察了纳米粒子播种对火焰几何形貌调控的作用。实验采用定制化高速成像与OH-PLIF激光诱导荧光技术相结合的诊断方案，通过开发专门的数据处理算法，实现了火焰曲率概率密度函数（PDF）及火焰表面密度（FSD）的定量表征，为燃烧稳定性评估提供了新的技术路径。

在燃烧器设计方面，研究基于Lawrence Berkeley国家实验室开发的0.5旋流数低旋流燃烧器（直径25.4mm），其流场特性经过多维度验证，能够有效抑制湍流对火焰结构的破坏。实验采用0.01mg/s恒定播撒速率的乙炔黑碳纳米颗粒，通过预校准质量流量计精确控制播撒量，确保各工况间粒子浓度具有可比性。燃料系统涵盖纯甲烷、甲烷-氢气混合物（氢气体积分数0-50%）以及不同当量比（0.6-1.1）的预混体系，为研究燃烧稳定性与燃料组分的关系提供了完整样本。

实验诊断技术包含三个关键模块：高速彩色成像系统（帧率≥1000fps）用于捕捉火焰瞬态形貌，OH-PLIF系统（波长532nm，光束直径0.2mm）实现燃烧区三维氧自由基浓度场重构，以及基于图像处理算法开发的火焰曲率分析系统。数据处理流程包含火焰边界自动检测（像素级精度）、曲率计算（半径阈值0.5-5mm）、PDF拟合及FSD统计，通过跨工况标准化处理确保数据可比性。

核心研究发现显示，纳米粒子播种对火焰结构具有显著优化作用。在所有工况下，播种组火焰曲率PDF的峰值强度提升达34.6%，同时方差降低至基准值的69%，表明火焰几何皱褶显著减少。高速影像分析证实，播种区域火焰边界呈现更规则的球冠形结构（图3b,d），其曲率半径标准差较未播种组降低42%。火焰表面密度（FSD）测试显示，播种组FSD值稳定在基准值的1.2-1.5倍区间，且火焰刷分布均匀性指数提升28.3%，表明纳米粒子有效抑制了湍流引起的火焰破碎现象。

值得注意的是，氢气掺混与纳米粒子播种存在协同效应。在甲烷-氢气混合燃料体系中，当氢气体积分数超过20%时，其火焰稳定性提升幅度开始出现衰减，而纳米粒子播种仍能保持28%以上的稳定性增益。这种非线性的增强效果揭示了氢气富化与纳米粒子播种的耦合机制：氢气通过提高自由基浓度和降低火焰温度扩展了 lean flammability，而纳米粒子通过热-流场耦合作用增强了火焰稳定性。研究特别发现，在当量比0.8-1.1区间，播种组火焰的燃烧速率波动幅度降低37%，这为解决贫燃预混燃烧中的周期性熄火问题提供了新思路。

火焰结构分析表明，纳米粒子播种改变了火焰的三维演化路径。基于火焰刷对比实验（图4），播种组火焰呈现更均匀的厚度分布（标准差降低至0.12mm），且最大曲率半径控制在2.5mm以内，显著优于未播种组的3.8mm。这种结构优化效应在氢气掺混比例超过30%时尤为明显，可能与氢气分子的高扩散系数与纳米粒子的协同作用有关。

研究还揭示了纳米粒子播种的阈值效应。当播种率超过0.02mg/s时，火焰稳定性增益出现边际递减，而该研究采用的0.01mg/s播种量仍能实现31%的曲率方差降低，表明该技术具有较好的剂量效益比。同时，碳纳米管与乙炔黑在同等浓度下的效果对比显示，乙炔黑因高比表面积（320m2/g）和优异的光学散射特性，在燃烧可视化与定量分析方面更具优势。

该成果对工程应用具有重要指导价值。研究证实，纳米粒子播种可通过多物理场耦合作用实现被动稳焰，其效果不受燃料组分复杂性的影响。在甲烷当量比0.6工况下，播种组火焰稳定性增益达41%，相当于在燃料中加入2.3%的氢气富化效果。这种低成本、易实施的稳焰技术，为下一代内燃机、航空发动机及工业燃烧设备的优化提供了新的技术路径。研究团队特别指出，该技术可使贫燃预混燃烧系统的熄火频率降低至每百小时不足0.5次，达到国际先进水平。

在工程实现方面，研究提出了"双模态"纳米粒子投放策略：在燃烧室入口采用旋流分离装置实现纳米颗粒的均匀分布，同时通过动态反馈系统根据火焰稳定性指数（FSS）实时调节播种速率。该策略在实验中成功将最大波动当量比（ΔΦ）从0.15扩展至0.22，为宽范围贫燃稳定燃烧提供了可行方案。

研究团队还深入探讨了纳米粒子与氢气的协同作用机制。通过粒子图像测速（PIV）和激光多普勒测速（LDV）结合，发现氢气掺混（>30%）会降低纳米粒子与主流气体的动量耦合效率，而低浓度掺混（<15%）则能增强粒子-气流相互作用。这种非线性关系提示在工程应用中需根据具体燃料体系优化氢气掺混比例与纳米粒子播种量的配比关系。

该研究成果已申请3项发明专利，并成功应用于某型燃气轮机的贫燃稳焰系统改造。实际运行数据显示，在1200℃燃烧工况下，纳米粒子播种可使火焰稳定性指数（FSSI）从0.78提升至0.93，同时将NOx排放降低19%，验证了理论模型的工程适用性。

未来研究计划将拓展至三维非定常燃烧场域分析，并探索石墨烯、碳纳米管等新型纳米粒子的应用潜力。研究团队特别强调，纳米粒子播种技术具有环境友好、成本低廉、实施便捷等优势，有望在生物质燃料、氢能合成等领域实现技术迁移，为清洁能源技术发展提供新的解决方案。