钝体燃烧器中甲烷-氢掺杂的燃烧特性与热性能研究：湍流预混火焰稳定性及减排机制

为应对微燃烧器面临的高热损失与火焰失稳难题，研究人员采用GRI-3.0反应机制与湍流模型，系统研究了甲烷-氢混合燃料（氢掺杂比0-40%）在三角钝体微燃烧器内的燃烧特性。结果表明：氢掺杂可缩小火焰面积11.1%，降低CO排放62.8%，并通过增强OH/HO2自由基分布提升湍流强度，为清洁能源微燃烧器设计提供理论支撑。

　　

在全球能源危机与碳中和目标的驱动下，开发高效清洁的微尺度燃烧技术成为能源领域的研究热点。氢能因其零碳特性备受关注，但储存运输难题制约了其应用。甲烷作为天然气主要成分，与氢混合既能解决输运瓶颈，又可提升燃烧效率。然而，微燃烧器因极高的表面积体积比和短暂停留时间，普遍存在火焰淬灭、热损失大、燃烧不充分等问题。钝体结构虽能通过回流区稳定火焰，但甲烷-氢混合燃料在湍流预混条件下的燃烧机制尚不明确。

针对这一挑战，国内研究人员通过数值模拟系统研究了三角钝体微燃烧器中甲烷-氢混合燃料的燃烧特性。研究采用GRI-3.0反应机制（详细化学动力学模型）结合Realizable k-ε湍流模型，分析了氢掺杂比例对火焰结构、污染物排放及自由基分布的影响。关键技术包括：基于对称设计的几何建模、非预混燃烧模型（Non-Premixed Combustion Model）的边界条件设定，以及通过温度均匀性指数（Temperature Uniformity Index）量化壁面热分布。

几何模型
燃烧室采用矩形通道与三角钝体组合设计，钝体通过产生回流区延长燃料停留时间。关键尺寸包括燃烧室长度20 mm、高度3 mm，钝体边长1 mm，其位置优化为距入口4 mm处。

氢掺杂对温度的影响
随着氢掺杂比例从0%增至40%，火焰面积先稳定后缩小11.1%，壁面总热损失从11.05 W降至7.98 W。高温区向燃烧器下游迁移，表明氢加速了燃烧反应速率。

自由基与排放特性
氢掺杂显著改变了OH、H和HO₂自由基的分布：OH峰值浓度提升27.6%，促进燃料完全燃烧；CO排放量减少62.8%，但NO_x生成量因高温区扩大而增加。

湍流强化机制
氢的加入使湍流强度提升19.3%，通过加速燃料混合缩短了火焰长度。钝体回流区与氢的协同作用使火焰稳定性极限扩展至当量比0.6的贫燃条件。

研究揭示了氢掺杂通过三重机制提升微燃烧性能：（1）化学效应：增加活性自由基浓度，促进CH₄完全转化；（2）热力学效应：降低壁面温度梯度，提升热效率；（3）流体力学效应：增强湍流混合，抑制火焰淬灭。该成果为设计新一代甲烷-氢混合微燃烧器提供了关键理论依据，尤其对微动力装置（如微型无人机）的清洁能源适配具有重要指导意义。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为国际氢能领域的权威期刊。