层流反应射流中水热火焰熄灭机制的建模与分析及其在超临界水氧化技术中的应用

本研究针对超临界水氧化(SCWO)反应器中水热火焰熄灭机制的关键问题，通过建立简化数学模型，揭示了Damk?hler数(λ)和反应组分注入速度对火焰熄灭的决定性作用。研究团队基于NASA Glenn研究中心的实验数据，提出了以λ*为临界值的精确熄灭判据，为SCWO反应器的安全控制和优化设计提供了理论依据。

　　

在环境保护和资源回收领域，超临界水氧化(SCWO)技术因其高效处理有机废物的能力而备受关注。这项技术利用水在超临界状态(374°C, 22MPa)下的特殊性质，使有机化合物与氧气完全互溶，实现近乎完美的转化效率。然而，在实际应用中，反应器中水热火焰的稳定性控制一直是制约技术发展的关键难题，特别是火焰的熄灭机制缺乏系统理论研究。

NASA Glenn研究中心高压燃烧实验室的Peter V. Gordon团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表的研究，针对这一技术瓶颈开展了深入探索。研究人员观察到，在乙醇-水混合燃料与空气-水氧化剂的共流喷射实验中，当空气流量降至0.2-0.25 smlpm时，火焰会出现渐进式熄灭现象。这一现象背后的物理机制尚不明确，严重制约着SCWO反应器的优化设计和安全控制。

研究团队采用了理论建模与数值模拟相结合的方法。首先基于质量、动量和能量守恒定律，建立了包含对流-扩散方程和反应源项的数学模型。通过引入Damk?hler数(λ)作为关键参数，采用有限元方法求解控制方程，并结合实验数据验证模型准确性。特别值得注意的是，研究采用了"点火型"反应动力学假设，即反应速率在温度低于临界值(T_i
)时为零，高于临界值时单调递增。

研究结果部分，"2. 模型构建"章节详细阐述了控制方程的推导过程。模型考虑了热扩散、对流传输和化学反应三个关键物理过程，通过非 dimensionalization处理得到无量纲控制方程。其中，反应项ψ(x)f(θ)的构造尤为关键，它准确描述了反应物浓度分布与温度依赖性的耦合关系。

"3. 模型数值研究"部分展示了丰富的模拟结果。研究发现火焰熄灭存在明确的临界条件：当λ<>时系统仅有零解，对应熄灭状态；当λ≥λ时存在非零解，对应稳定燃烧。数值模拟再现了实验中观察到的火焰收缩现象，当λ从500降至临界值443时，反应区高度从3.2d缩减至2.5d。温度场分布与NASA实验测量结果高度吻合，验证了模型的可靠性。

特别值得关注的是流动强度对熄灭特性的影响。研究表明，随着流速增加(A从0增至40)，临界Damk?hler数λ*从380显著提升至520。这一发现解释了实验中观察到的现象：增加流速会扩大反应区体积，但同时需要更强的反应强度(更高λ)来维持火焰稳定。

该研究的理论价值在于首次建立了水热火焰熄灭的定量判据，填补了这一领域的知识空白。实际应用中，研究结果为SCWO反应器的优化设计提供了明确指导：通过精确控制Damk?hler数和流速，可以实现火焰状态的精准调控。这对于发展下一代高效、安全的废物处理系统具有重要意义，特别是在太空任务等极端环境下的水回收系统设计中。

研究也存在一定局限性，如假设燃料和氧化剂射流速度相等，这与实际情况存在差异。作者在讨论部分指出，未来研究应考虑速度差异的影响，并拓展到三维湍流情况。此外，反应动力学的简化处理虽抓住了熄灭现象的本质特征，但更精确的反应机理有待进一步研究。