氢能微混合燃烧室几何设计对NOX减排效能的数值模拟研究

针对航空氢燃料燃烧中NOX排放过高的难题，研究人员通过数值模拟优化微混合燃烧室（micromix combustor）的几何参数（如混合距离、空气门高度），证实几何改进可显著提升燃料混合效率并降低NOX生成，为清洁航空能源技术提供关键设计依据。

　　

随着航空业碳排放问题日益严峻，氢能作为零碳燃料成为解决路径之一。然而氢燃烧的高温特性会大幅增加氮氧化物（NO_X）排放，传统燃烧室设计难以兼顾安全性与环保性。源自德国亚琛应用技术大学（AcUAS）的微混合燃烧技术（micromix combustion）通过毫米级喷嘴阵列形成微型火焰群，虽能降低NO_X，但其性能高度依赖几何参数设计的精细调控。

为突破这一技术瓶颈，研究人员聚焦微混合燃烧室内部几何结构的优化。研究采用计算流体力学（CFD）软件ANSYS Fluent，系统模拟了混合距离（mixing distance）和空气门（air gate）高度等参数对燃烧流场的影响。通过对比不同几何配置下的温度分布、流动特性及NO_X生成规律，揭示了物理结构改进与排放性能的关联机制。

Combustor geometry
研究基于德国航空航天中心（FHA）原型设计的1600喷嘴阵列微混合燃烧室，采用Jet-in-Crossflow（JICF）喷射技术。核心创新在于对单喷嘴单元内部结构的精细化改造，包括阶梯式钝体（step bluff body）的混合距离调整和空气门高度优化，保持整体热密度不变的前提下提升混合强度。

Geometric parameters optimisation
数值模拟结果表明：增加混合距离可延长燃料与空气的接触时间，使混合均匀性提升23%，NO_X浓度降低18%；而降低空气门高度则有效控制燃烧室高温区范围，峰值温度下降15%，进一步抑制热力型NO_X生成。研究首次量化了几何参数与NO_X排放的非线性关系。

Conclusion
该研究证实微混合燃烧室的几何设计是调控NO_X排放的关键靶点：1）混合距离延长通过增强涡流发展提升混合均匀性；2）空气门高度降低改变剪切层结构，缩短高温气体停留时间。这些发现为新一代氢能航空发动机提供了多物理场耦合设计范式，被评价为"实现航空零碳燃烧的重要技术突破"。

研究团队特别指出，未来需结合实验验证几何优化的实际效能，并探索几何参数与燃烧不稳定性（thermoacoustic instability）的交互作用。这项工作发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，为全球航空氢能化进程贡献了中国学者的解决方案。