氢/空气预混火焰压力响应的热扩散与化学动力学耦合机制研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：A computational mechanistic analysis of transport–chemistry interactions controlling the complex pressure dependence of laminar premixed hydrogen flames

本文针对氢/空气预混火焰在高压下燃烧速度的非单调压力依赖性这一关键科学问题，通过系统研究不同当量比（φ=0.5, 1.0, 1.5）和压力条件（0.2-3 atm）下火焰特性，结合混合平均输运模型与恒定Lewis数（Le）对比，揭示了压力通过改变热扩散耦合与化学动力学竞争关系调控火焰传播速度的内在机制。研究发现，在富燃料条件下（φ≥1.0），火焰速度随压力升高呈现先增后降的峰值行为，而贫燃料条件（φ=0.5）下则持续下降。通过计算奇异扰动（CSP）分析和时间尺度参与指数（TPI）量化，明确了H2/O2链分支反应（如H+O2?O+OH）对爆炸模态的主导贡献。该研究为高压氢燃烧器设计和安全评估提供了理论依据，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

氢能作为清洁能源载体，其高效利用离不开对燃烧基础过程的深入理解。然而，氢燃料独特的物理化学性质——极高的扩散能力和反应活性，使其燃烧行为显著区别于传统碳氢燃料。尤其在实际燃烧装置常见的高压环境下，氢/空气预混火焰的传播速度表现出复杂的压力依赖性：传统理论预测火焰速度随压力升高单调下降（s_L∝ pⁿ, n≈-0.5），但实验和模拟均发现，在接近化学计量比或富燃料条件下，s_L随压力变化会出现先上升后下降的“驼峰”现象。这种非单调特性对燃烧器稳定运行和安全设计构成挑战，其背后机制涉及压力如何改变火焰内部热扩散与化学反应的耦合关系，是氢燃烧基础研究的关键难题。

为揭示这一现象的本质，研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表了系统研究，通过计算流体力学与详细化学反应动力学相结合的方法，量化了不同压力（0.2-3 atm）和当量比（φ=0.5, 1.0, 1.5）下氢/空气一维预混火焰的层流火焰速度，并创新性地采用计算奇异扰动（CSP）框架和多种输运模型对比，解析了压力对火焰结构和动力学模态的影响。

研究主要采用了一维平面预混火焰计算（使用CHEMKIN-PREMIX代码），结合详细的H₂/空气化学反应机理（包含21种组分、93步基元反应）。通过对比混合平均输运模型与三种恒定Lewis数（Le=1, Le(H₂), Le(N₂)）模型，分离了热扩散效应与化学效应。利用CSP方法识别最快爆炸时间尺度（τ_e,f）及其对应的关键反应（通过时间尺度参与指数TPI量化），并定义了火焰核区的热-扩散耦合指数（DKCI）等诊断参数，定量表征压力对反应-扩散协同性的调控。

火焰速度的压力依赖性及输运效应

研究结果显示，层流火焰速度s_L的压力响应强烈依赖于当量比。在贫燃条件（φ=0.5）下，s_L随压力增加单调下降；而在化学计量比（φ=1.0）和富燃条件（φ=1.5）下，s_L呈现明显的非单调行为，即在低压区（如0.5-1 atm）随压力上升而增加，达到峰值后转为下降。通过引入超额压力指数e(p)=dlns_L/dlnp+0.5进行分析发现，贫燃时e(p)始终小于0.5，导致s_L持续下降；而富燃时e(p)在低压区大于0.5，但随压力升高快速衰减并穿过0.5阈值，从而引发s_L的拐点。这种差异本质上源于不同当量比下反应物Lewis数（Le）的差异：氢气的Le远小于1（约0.3-0.4），而氧气和氮气的Le大于1。在富燃条件下，氢气作为过量组分，其低Le特性主导了输运过程，增强了热扩散不稳定性，使火焰对压力变化更敏感；而贫燃时，氧气（高Le）成为限制组分，输运特性趋于稳定。通过对比混合平均模型与恒定Le模型进一步证实，只有当模型保留物种选择性扩散（即混合平均或Le(H₂)模型）时，才能重现非单调行为；若强制所有物种具有相同Le（如Le=1或Le(N₂)模型），s_L则表现为单调上升或平台化。这表明压力响应的转折本质是由选择性扩散（即优先扩散）驱动，而非单纯的化学动力学变化。

火焰结构演变与爆炸核分析

随着压力升高，火焰厚度显著减小（δ∝p^-0.5），但内部结构发生重要重组。通过分析以温度定义的进程变量c_T空间分布发现，压力增加会使最大标量耗散率χ_c^max的位置相对于爆炸核（即最快爆炸时间尺度τ_e,f^min所在位置）发生偏移。在贫燃条件下，爆炸核始终位于预热区，与最大混合强度区域分离；而在富燃条件下，低压时爆炸核与χ_c^max高度重合，但随着压力升高，二者逐渐解耦。这种“几何失准”通过扩散-核耦合指数（DKCI）量化，显示压力升高会降低反应与扩散的协同效率。尤其在富燃高压时，爆炸核向产物区移动，而最大混合区域仍停留在较冷区域，导致化学释放的能量无法被有效输运至预热区，从而抑制火焰传播。这种结构演变与Lewis数效应一致：低Le组分（H₂）的优先扩散在低压下增强火焰锋面的反应强度，但在高压下因火焰变薄而减弱，引发传播速度的转折。

化学动力学模态的主导作用

应用CSP分析识别出主导火焰传播的最快爆炸模态，并通过TPI量化各基元反应对该模态时间尺度的贡献。在所有条件下，链分支反应H+O₂?O+OH（R5）均表现出最高的正TPI值，表明其是维持爆炸性的最关键步骤。三体重组反应H+O₂(+M)?HO₂(+M)（R22）则具有显著的负TPI，起抑制作用。压力升高会系统性缩短爆炸时间尺度τ_e,f，但改变各反应的相对贡献：在富燃条件下，低压时链分支反应（如R5、R3：H₂+OH?H+H₂O）的主导性更强，而随着压力增加，三体反应（R22）和终止反应的负贡献增强，削弱了净爆炸性。这种动力学重分配与输运效应协同作用：低压下，优先扩散将活性H自由基富集到反应区，强化链分支；高压下，扩散受限且三体反应加速，导致活性自由基消耗增加，最终触发s_L的下降。

研究结论表明，氢/空气预混火焰的非单调压力响应是热扩散效应与化学动力学耦合作用的结果。在富燃条件下，低Lewis数的氢气通过优先扩散机制，在低压区增强火焰传播，但随着压力升高，火焰变薄导致反应-扩散失协，同时化学动力学向终止反应倾斜，共同引起传播速度的拐点。该研究建立了压力-输运-化学的定量关联，揭示了Lewis数在调控高压氢火焰行为中的核心作用。研究成果不仅深化了对氢燃烧基础物理的理解，更为高压氢燃烧器（如燃气轮机、内燃机）的稳定运行区间预测和污染物控制提供了理论设计依据。