乙烷与氢气混合燃料湍流火焰特性研究：压力、温度及湍流强度对燃烧速度的影响机制

为解决乙烷/空气及乙烷/氢气混合燃料湍流燃烧特性数据缺失的问题，研究人员利用Leeds MK-II搅拌燃烧容器系统研究了压力(0.1-0.5 MPa)、温度(300-360 K)、湍流强度(u'=1-5 m/s)及氢气添加量(XH2 =0-100%)对火焰传播速度(Ssch )和湍流燃烧速度(utr )的影响。研究发现氢气添加可提升层流燃烧速度(ul )，而压力升高会增强湍流加速效应，并提出了改进的U-K关联式(U=αKβ )，其决定系数(R2 )达0.81-0.98，为燃气轮机及爆炸安全设计提供了关键数据支撑。

　　

在能源转型与碳中和背景下，乙烷作为天然气第二大组分和潜在清洁燃料备受关注。然而，尽管其层流燃烧特性已被广泛研究，湍流燃烧数据却严重匮乏——这直接制约了燃气轮机、内燃机等实际燃烧系统的优化设计。更棘手的是，当前氢能掺混技术虽能提升燃烧效率，但氢-烃混合燃料的湍流相互作用机制尚不明确。面对这些挑战，中国某高校的研究团队在《Fuel》发表了一项突破性研究，首次系统揭示了乙烷及其氢混合燃料的湍流火焰行为规律。

研究团队采用Leeds MK-II搅拌式球形燃烧容器（直径380 mm）结合高速纹影成像系统，通过调节风扇转速(1000-6000 rpm)精确控制湍流强度(u')，利用粒子图像测速技术(PIV)量化流场特性。实验涵盖当量比(φ=0.8-1.2)、压力(0.1/0.5 MPa)、温度(300/360 K)等多参数组合，通过压力传感器和MATLAB图像处理分析火焰半径(r_sch
)与传播速度(S_sch
)，并基于体积参考半径法计算湍流燃烧速度(u_tr
)。

3.1 湍流燃烧 regimes
通过Peters-Borghi图证实实验覆盖褶皱火焰、波纹火焰和分布式反应区三个区域。纯乙烷火焰在u'=5 m/s时进入分布式反应区(Ka>1)，而添加50%氢气可使火焰重返波纹火焰区，这归因于氢缩短化学时间尺度降低Ka值。

3.2 湍流火焰形貌
高压(0.5 MPa)使火焰表面从光滑变为蜂窝状（密度梯度增强流体力学不稳定性），而氢气添加则通过降低Lewis数激发表面热扩散(TD)不稳定性。值得注意的是，u'=5 m/s时纯氢火焰仍保持球形，而纯乙烷火焰呈现高度畸变。

3.4 湍流火焰速度
关键发现包括：(1) u'从1增至5 m/s使S_sch
提升400%；(2) 压力从0.1升至0.5 MPa使标准化速度(S_sch
/S_s
)翻倍，源于压力减小火焰厚度(δ_l
)增强皱褶效应；(3) 氢气添加虽提升u_l
，但会减弱湍流加速效果——纯乙烷u_tr
/u_l
达4倍，而纯氢仅2倍。

3.7 湍流燃烧速度关联式
创新性地用压力参数替代原U-K关联式中的应变率Markstein数(Ma_sr
)，建立分压关联：
0.1 MPa: U=0.335K^-0.402
(R²
=0.98)
0.5 MPa: U=0.534K^-0.269
(R²
=0.93)
1.0 MPa: U=0.790K^-0.250
(R²
=0.81)
该模型在K=0.002-1.8范围内普适性良好，且与V型燃烧器数据趋势一致，证实了关联式的跨装置有效性。

这项研究填补了乙烷湍流燃烧数据库的空白，其建立的压力显性关联式显著提升了预测精度，为燃气轮机燃烧室设计和可燃气体爆炸风险评估提供了理论工具。特别是揭示了氢掺混对湍流/层流速度比的非线性影响，这对开发低碳混合燃料具有重要指导意义。未来研究可拓展至更高压力(>1 MPa)和更宽氢掺混比范围，以进一步验证关联式的边界适用性。