甲烷-空气层流火焰发展与锚定中流动参数及氢气添加效应的数值研究

本研究通过数值模拟探讨了不同流速分布（抛物线型、平顶型、塞流型）对甲烷-空气层流火焰结构及锚定特性的影响，揭示了火焰高度、预热区厚度及驻留距离的变化规律。结果表明，流速分布变化可导致火焰高度最大增加19.2%，氢气添加使驻留距离缩短38.3%，为燃气设备优化设计提供了理论依据。

　　

火焰燃烧研究一直是能源与动力工程领域的核心课题，尤其在低碳转型背景下，如何优化传统甲烷燃料的燃烧效率并探索氢气掺混的可行性成为关键。然而，层流火焰的稳定性和结构受流速分布、温度梯度及燃料组分等多因素影响，现有研究对氢气掺混与流动参数耦合作用的机制尚未阐明。为此，来自国内某研究机构的团队在《Fuel》发表论文，通过数值模拟系统分析了甲烷-空气层流火焰的演化规律。

研究采用ANSYS FLUENT 2023 R2构建二维轴对称模型，结合GRI-Mech 3.0反应机理，模拟了不同流速分布（抛物线型、平顶型、塞流型）下火焰结构的变化。通过网格独立性验证和实验数据对比（误差<7%），量化了火焰高度、预热区厚度及驻留距离等关键参数。研究还引入共轭传热模型，分析 burner rim（燃烧器边缘）热导率对火焰锚定的影响，并探究了氢气掺混（10%-20% vol）对反应路径的调控作用。

3.1 火焰结构分析
研究发现，流速分布显著改变火焰形态：抛物线型流速使火焰高度比平顶型增加19.2%，预热区厚度增加17.3%。OH摩尔分数分布显示，当量比（equivalence ratio, ?）从1.1升至1.4时，内焰尖峰强度降低13%，而外焰反应区扩大。温度场分析表明，火焰尖端曲率半径随流速增大而减小，导致预热区厚度在?=1.6时差异显著。

3.2 火焰锚定机制
驻留距离（stand-off distance）对流速分布敏感：平顶型流速下的预测值比抛物线型高1.5倍。共轭传热模拟显示，燃烧器边缘热导率从16.27 W/m·K（钢）升至202.4 W/m·K（铝）时，驻留距离非线性增加11.7%，趋近等温条件。氢气掺混则通过促进关键反应（如R84: OH+H₂→H+H₂O）缩短驻留距离，20%氢气掺混时最大降幅达38.3%。

3.3 反应动力学验证
径向等效比（?_local）分布表明，氢气掺混导致火焰根部混合气更贫燃（?<1），这与低路易斯数（Lewis number, Le）效应相关。反应速率分析揭示，R10（O+CH₃→H+CH₂O）和R35（H+O₂+H₂O→HO₂+H₂O）在氢气掺混下峰值提升2.3倍，加速了火焰传播。

结论与意义
该研究明确了流速分布与氢气掺混对层流火焰锚定的协同调控机制：抛物线型流速更适合稳定长火焰，而氢气添加可通过增强自由基反应缩短驻留距离。共轭传热分析为燃烧器材料选型提供了量化依据，例如高导热材料会增大驻留距离但降低局部温度梯度。成果对燃气灶具、工业燃烧器的低氮氧化物（NO_x）设计具有指导价值，尤其为甲烷-氢气混合燃料的规模化应用奠定了理论基础。