综述：反向射流扩散火焰的系统性研究

这篇综述系统梳理了反向射流扩散火焰（IJDF）的研究进展，聚焦其独特的非预混燃烧特性，包括火焰结构、碳烟（soot）形成机制、火焰高度及稳定性，并探讨了其在工业燃烧器、纳米材料合成等领域的应用潜力。文中对比了IJDF与传统正向射流扩散火焰（NJDF）的差异，强调了低污染物排放和高效混合的优势，为未来清洁燃烧技术开发提供了理论依据。

　　

Abstract

反向射流扩散火焰（IJDF）是一种独特的非预混火焰，其通过同轴燃烧器中中心空气射流与环形燃料射流的反向配置实现。自20世纪80年代起，IJDF的碳烟特性成为研究重点。由于反应物输送模式和流体动力学的差异，IJDF的碳烟形成机制与正向射流扩散火焰（NJDF）截然不同——IJDF在较高空燃速度比下碳烟生成显著减少。目前，基于视觉形态和空燃比，层流IJDF被划分为六种类型，而湍流IJDF的火焰稳定性和排放特性仍需深入探索。

Introduction

燃烧技术在能源、航天和工业加热领域应用广泛，但降低污染物排放（如NO_x）仍是挑战。IJDF因其高效混合和低碳烟特性成为研究热点。与NJDF相比，IJDF的碳烟前体（如多环芳烃PAH）在环形燃料流中演化，避免了高温火焰区的氧化，形成未氧化的初始碳烟。此外，湍流IJDF通过调节空燃动量比可优化火焰温度和辐射特性，适用于火箭发动机等高压环境。

Flame Structure

IJDF的火焰结构通过物种浓度分布、温度场及OH/PAH等自由基的分布表征。其独特的中心氧化剂-外围燃料配置导致反应区外缘形成碳烟，而湍流IJDF因强混合作用呈现短而蓝的火焰形态。研究表明，空燃动量比（而非速度比）是描述混合程度的关键参数。

Soot Formation

IJDF的碳烟演化路径包括燃料热解、PAH生长、颗粒成核等步骤。其核心差异在于碳烟无需穿越反应锋面，从而与氧化过程解耦。实验显示，层流IJDF的峰值碳烟体积分数比NJDF低一个数量级，而湍流IJDF通过增强混合进一步抑制碳烟生成。

Flame Height

火焰高度反映燃料与氧化剂的完全反应距离，是燃烧器设计的重要参数。IJDF的火焰高度受空燃动量比和燃烧器几何形状（如同轴或周向布置CAP）显著影响。CAP燃烧器因增加射流接触面积，可产生更紧凑的火焰。

Flame Stability

IJDF的稳定性与燃烧器边缘几何形状、入射角等因素相关。例如，增大边缘厚度或入射角会提高火焰抬升高度。湍流IJDF因内部再循环区和高混合效率，在航空航天燃烧器中展现出优越的稳定性。

Thermal and Emission Characteristics

IJDF的NO_x和CO排放特性与空燃动量比密切相关。研究表明，优化动量比可实现低温均匀燃烧，降低NO_x生成。此外，IJDF在微重力环境中的辐射特性为太空舱火灾安全研究提供了关键数据。

Nanomaterial Synthesis

IJDF反应器已用于合成二氧化钛、碳纳米管（CNTs）等纳米材料。其高温区可控的特性允许通过调节火焰参数精准调控颗粒尺寸和形貌，为工业化生产提供了新思路。

Challenges and Future Prospects

当前研究空白包括：湍流IJDF碳烟机制的定量分析、微重力/低压环境对火焰的影响，以及CAP燃烧器的普适性设计准则。未来需结合先进激光诊断技术（如LII、PLIF）和数值模拟，推动IJDF在清洁能源和航天领域的应用。

Concluding Remarks

IJDF作为一种高效低污染的燃烧配置，其基础研究和应用开发仍需跨学科协作。从碳烟抑制到纳米材料合成，IJDF展现了多领域的潜力，但需系统性研究以解决当前技术瓶颈。