喷嘴结构变化对同轴双旋流氢火焰NOx生成的影响机制研究

为解决氢燃料燃烧中高NOx排放的挑战，研究人员通过活性子空间（AS）方法系统分析了同轴双旋流喷嘴（HYLON）结构参数（如空气旋流数Se、氢气入口直径di）对NO生成的敏感性。研究发现，Se降低会因局部停留时间和火焰温度升高而增加NO排放，而di的影响在低/高热功率工况下呈现相反效应。该研究为氢燃烧器低NOx设计提供了关键理论依据。

　　

论文解读

在全球能源转型背景下，氢燃料因其零碳特性成为替代传统化石能源的理想选择。然而，氢燃烧产生的高温会引发严重的氮氧化物（NO_x）污染，这一矛盾制约着氢能的大规模应用。尤其在同轴双旋流燃烧器（HYLON）中，喷嘴结构参数如何影响NO_x生成尚未明确，成为阻碍低排放燃烧技术发展的关键瓶颈。

为解决这一问题，清华大学等机构的研究团队首次采用活性子空间（Active Subspace, AS）方法，系统分析了HYLON喷嘴结构参数对NO生成的敏感性。研究通过数值模拟结合实验验证，揭示了空气旋流数S_e和氢气入口直径d_i在不同热功率工况下的差异化影响机制。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为氢燃烧器的低NO_x优化设计提供了理论基石。

关键技术方法

研究采用计算流体力学（CFD）模拟结合AS敏感性分析方法。首先建立HYLON燃烧器的三维模型，通过NO后处理（Li + Ex.Zeld）和耦合机制（Capurso）预测NO生成；随后利用AS对结构参数（S_e、d_i、钝体厚度等）进行全局敏感性分析，通过特征值分解识别主导参数；最后通过实验数据验证模拟结果的可靠性。

研究结果

NO formation in the attached and lifted flames
对比附着火焰（Flame A）和抬举火焰（Flame L）发现，前者因更长的局部停留时间和更高火焰温度导致NO排放增加。两种预测方法（后处理与耦合机制）均与实验数据吻合，验证了模型的准确性。

Conclusion
研究发现：1）空气旋流数S_e是核心参数，其降低会通过延长停留时间和提高火焰峰值温度（如低热功率下升温50K）显著增加NO排放；2）氢气入口直径d_i呈现双刃剑效应——低热功率时减小d_i会促进火焰分支延伸而增排NO，高热功率时则因火焰重附着收缩高温区而减排；3）AS分析表明钝体厚度对NO影响微弱。

意义与展望

该研究首次阐明了HYLON结构参数与NO生成的定量关系，为氢燃烧器的精准调控提供了科学依据。特别是发现S_e和d_i的工况依赖性效应，提示需针对不同热功率场景定制喷嘴设计。未来可结合多目标优化算法进一步挖掘HYLON的低排放潜力，推动氢能清洁利用。