探究煤油 - H2混合燃烧奥秘：多燃料燃烧室火焰特性的变革之旅

为解决航空领域脱碳及氢燃料应用难题，研究人员开展了煤油 - H2混合火焰宏观特性研究。结果显示，H2添加改变火焰拓扑、光度和声学特性。该研究为燃料通用燃烧系统发展提供思路。

　　在当今全球致力于应对气候变化的大背景下，航空业成为了一个不可忽视的碳排放 “大户”。2019 年，航空部门约占人为气候变化成因的 5%，其中约三分之一的影响来自直接二氧化碳（CO₂）排放，其余则源于氮氧化物（NO_X）、水蒸气、气溶胶和凝结尾迹等非 CO₂效应。为了实现航空领域的脱碳目标，氢气（H₂）作为一种碳中性能源载体，吸引了众多科研人员的目光。然而，开发完全以 H₂为燃料的航空发动机面临着诸多挑战，比如需要全新的基础设施建设、扩大绿色 H₂的生产规模、保障燃料供应链的稳定性以及解决机上 H₂的储存和分配问题等 。

在此情况下，燃料灵活的混合发动机技术成为了一种颇具吸引力的过渡策略。这种技术能够使用煤油 - H₂混合物，有望缓解引入 H₂作为航空能源所面临的一系列难题。不过，H₂与煤油的化学性质差异显著，这就意味着喷油器设计可能需要大幅修改，以实现燃料通用操作。

从燃烧的角度来看，H₂火焰具有一些独特的性质，比如在任何给定的当量比（φ）下，其绝热火焰温度更高，火焰传播速度也更快。但这些特性也带来了新的问题，较高的火焰温度容易导致 NO_X生成量增加，而较快的火焰速度则使燃烧系统更容易发生回火现象。尽管添加 H₂到燃料混合物中能通过一些效应部分缓解火焰温度升高的问题，比如 H₂每释放单位能量所需的燃烧空气更少，且其燃烧产物中水蒸气浓度增加会提高废气的热容量，从而降低给定推力设置下燃烧室出口所需的温度 。然而，H₂混合导致的火焰速度增加带来的回火风险，仍然对发动机的可操作性和使用寿命构成威胁。

此外，目前关于煤油 - H₂混合燃烧的研究存在一些空白。虽然近年来对使用煤油 / 可持续航空燃料（SAF）和 H₂的燃料灵活操作的研究兴趣日益增长，但相关的实验研究相对较少。大多数实验研究都集中在 H₂在总燃料能量中占比较小的情况，即低混合比（R_h），且没有明确指出在实现纯 H₂、纯煤油以及中间混合燃料稳定燃烧时所面临的挑战。同时，这些燃料不同的注入相也增加了喷射系统设计的复杂性。

为了填补这些知识空白，来自国外的研究人员开展了一项关于煤油 - H₂混合火焰宏观特性的研究。他们旨在探究在多相、多燃料燃烧室中，随着 H₂混合比例的增加，火焰的宏观性质会如何变化，以此来证明在新型多相、多燃料燃烧室中使用广泛的煤油 - H₂混合物的技术可行性。该研究成果发表在《Fuel Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在实验装置方面，他们对一个技术上预混的旋流稳定燃烧室进行了改装，添加了两个煤油雾化器，以覆盖整个燃料混合范围（R_h：0 - 100%） 。在测量技术上，利用粒子图像测速（PIV）技术测量非反应流场；通过尼康 D7500 数码单反相机进行宽带化学发光成像，记录火焰的光学特性变化；使用麦克风记录燃烧室内的声学排放 。

在非反应流条件下，研究人员对燃烧室流场和雾化器进行了研究。通过 PIV 技术测量发现，在非反应条件下，旋流射流离开混合管（MT）后呈准锥形，半孔径约为 35°，形成了外部环形回流区（ORZ）和内部中心回流区（IRZ），并且预计煤油喷雾主要注入 ORZ，部分与旋流射流的外部剪切层（OSL）相互作用 。对雾化器的表征结果表明，SIMPLEX 雾化器存在一些限制，如产生喷雾所需的最小喷射压力限制了煤油喷雾的最小流量，使得 R_h在 40% - 100% 之间的燃料混合物无法在本研究中进行测试 。同时，随着 R_h增加，雾化器入口压力降低，喷雾的索特平均直径（SMD）增大，喷雾质量下降 。

在反应流条件下，研究人员对火焰的光学和声学特性进行了研究。从光学特性来看，通过火焰成像发现，纯 H₂火焰呈现红蓝色调，纯煤油火焰有蓝色火焰区域和黄色（含碳烟）火焰区域，而混合燃料火焰一开始就呈现含碳烟（暗黄色）外观 。随着 R_h降低，火焰亮度增加，这与 H₂添加导致的碳烟生成减少有关 。在火焰拓扑方面，R_h>0% 时，火焰为单个连续的旋转火焰区；R_h=0% 时，火焰为有两个明显瓣 / 翼的瓣状火焰区 。这是因为 H₂的添加改变了燃料分布和热释放模式，促进了煤油液滴的蒸发和混合，使液滴更易被卷入 ORZ 的环形回流区，从而改变了火焰拓扑 。此外，火焰高度也随 R_h变化，纯 H₂火焰高度约为 2D_MT，纯煤油火焰高度约为 8D_MT，混合燃料火焰高度在 5 - 6D_MT之间 。

从声学特性来看，研究人员发现不同燃料混合物会影响燃烧室的声学排放 。纯煤油情况的声学强度第二高，多燃料工况下相对于纯 H₂情况，整体声发射降低约 80%，相对于纯煤油降低约 55% 。在频率域的功率谱分析中，纯 H₂和纯煤油情况下，声学频谱呈现强烈的音调特征，在 150Hz 的高次谐波处有明显峰值；而在多燃料情况下，这些音调成分显著抑制，尽管宽带幅度略有增加，但整体信号的均方根（RMS）幅度明显降低 。

综上所述，该研究通过一系列反应和非反应实验，深入探究了煤油 - H₂混合火焰的宏观特性。研究结果表明，H₂的添加显著改变了火焰的拓扑结构、光度和声学特性 。这一研究为理解煤油 - H₂混合燃烧过程提供了重要的实验数据，揭示了高比例 H₂混合对火焰动力学和声学行为的影响，为燃料通用燃烧系统的开发提供了有价值的见解，有助于推动航空领域向可持续发展迈进。不过，研究中也发现了一些尚未完全理解的现象，比如燃烧室内声学排放变化的潜在机制，这为后续研究指明了方向，期待未来能有更深入的研究来进一步揭示这些奥秘。