多孔介质中毫米级燃烧前沿特征研究：氧浓度与温度同步测量新方法揭示氧化前沿动力学机制

针对多孔固体燃料燃烧前沿氧化层厚度(δO2)和传播速度(VO2)缺乏实验数据的难题，研究人员开发了空间分辨率达1.5 mm的O2/温度同步测量系统，首次建立了δO2与热前沿厚度(δT)的定量关系（δO2=0.33δT+0.05），发现反应滞后模式主导燃烧过程，为燃烧模型参数校准提供了关键实验依据。

　　

多孔固体燃料燃烧在能源转换、环境修复和火灾安全等领域具有重要应用价值，但其核心反应区——燃烧前沿的特性长期缺乏精确表征。传统实验方法难以测量多孔介质内部的氧浓度分布，导致氧化前沿厚度(δ_O2)和传播速度(V_O2)等关键参数只能依赖假设，严重影响数值模型的准确性。更棘手的是，理论预测的"反应领先"燃烧模式与实际观测的矛盾悬而未决，燃烧前沿结构特征与燃料类型、气流速度的定量关系始终未能建立。

西安科技大学的研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地设计了倾斜3°布置的微型采样系统，通过沿反应器轴向1.5 mm间隔同步测量O₂浓度和温度，实现了毫米级燃烧前沿的原位表征。该系统在直径14 cm的反应器内布置20个测点，采用2 mm外径不锈钢管实现500 mL/min的微量气体采样，结合K型热电偶阵列，首次获取了生物质、泥炭和煤在不同粒径(3-9 mm)、达西流速(2.9-13.1 cm/s)和传播模式（正向/反向）下的氧化前沿动态数据。

研究结果揭示：氧化前沿与热前沿存在显著差异。δ_O2对粒径和燃烧模式不敏感，但与达西流速呈正相关，生物质反向燃烧在低流速(u_inj≤5.8 cm/s)时符合δ_O2=0.33δ_T+0.05，而高流速(u_inj≥11.6 cm/s)下因阴燃-明火转变使斜率增至0.87。V_O2与V_T的线性关系呈现燃料依赖性：生物质/煤反向燃烧符合V_O2=0.81V_T-4.22，而生物质正向燃烧和泥炭反向燃烧则符合V_O2=0.63V_T-19.02。

通过定义Δ_exp=V_T/V_O2，研究首次实验证实多孔燃烧普遍存在"反应滞后"模式(Δ_exp>1)，这与经典理论预测的"反应领先"模式(Δ_anal<1)形成鲜明对比。数值模拟显示的氧化前沿滞后传播现象与实验结果相互印证，揭示了现有解析解的局限性。

该研究建立的毫米级燃烧前沿表征方法，为地下煤气化、生物质热转化等工程应用提供了关键参数基准。发现的δ_O2-δ_T定量关系可直接用于模型参数优化，而V_O2-V_T转换公式使仅通过热电偶数据推断氧化特性成为可能。对燃烧结构模式的修正认识，将推动多孔介质燃烧理论模型的革新发展。