基于场协同原理的火焰冲击传热解耦分析及其在高效燃烧器设计中的应用

针对全球能源危机背景下燃烧器热效率提升的挑战，研究人员采用数值模拟方法，基于场协同原理(FSP)揭示了氢混合生物气(RH=0.1-0.2)火焰冲击传热的耦合机制。研究发现总传热率Qw可解耦为与喷嘴-平板距离(H)反比的反应热QΦ和火焰尖端接触时最大化的对流热Qs，并通过凸面结构板实现协同角从π/2优化至更大值，使整体热效率提升3.9%，为工业炉具集成设计提供新思路。

　　

在全球气候变暖与能源危机的双重压力下，提高燃烧设备的能量转换效率已成为迫切的科学挑战。火焰冲击传热技术作为数亿家庭炉具的核心热源，其热效率提升0.1%都能产生巨大的经济和社会效益。然而传统研究多聚焦于平板结构的参数优化，对非平面靶板几何效应和场协同机制的认识存在明显空白。更关键的是，现有文献鲜少从物理化学耦合角度解析火焰冲击传热的本质规律，导致热效率提升遭遇瓶颈。

针对这一难题，江苏大学的研究团队在《Fuel》发表创新性研究，通过数值模拟揭示了氢混合生物气(BG₆₀/H₂-air)火焰冲击传热的场协同机制。研究采用Ansys Fluent 2020构建二维轴对称模型，基于简化GRI 3.0反应机理，对比分析了氢混合比(R_H=0.1/0.2)、初始温度(400-500K)和靶板几何形状对传热特性的影响。通过场协同角β和方向性评价指标S_t的定量分析，首次实现总传热率Q_w的解耦：反应热Q_Φ与喷嘴-平板距离H成反比，而对流热Q_s在火焰尖端接触靶板时达到峰值。

在温度场与火焰特性方面，研究证实氢混合使BG₆₀火焰峰值温度提升57K(R_H=0.2)，初始温度升至500K时火焰高度缩短21%。温度场分布显示，当H小于火焰高度时，受限空间会抑制燃烧反应，导致高温区面积缩减和Q_Φ降低。特别值得注意的是，氢混合不仅提高燃烧速率，还通过缩短火焰高度改变最优传热距离，这对燃烧器参数设计具有直接指导价值。

场协同分析部分揭示了传热耦合机制。当H=15mm时，平板结构的Q_w达到峰值197.4W，但此时Q_s仅为其最大值的62%。流场可视化显示，平板在非驻点区域的协同角β≈π/2，导致对流热传递几乎失效。而凸面靶板通过曲率诱导二次冲击效应，在径向位置r/d=1.5处形成新的高温区，使β持续大于π/2，最终实现Q_w提升至205.1W。热流密度分布证实，凸面结构使局部热通量增加0.5-3kW/m²，这归因于曲面改变高温气流动量方向，增强了对流传质效率。

靶板结构优化研究取得突破性发现。对比平板在H=10mm和20mm的性能差异发现，增大H虽使Q_Φ降低74.6W，但凸面结构能通过几何效应补偿22%的损失。更关键的是，凸面靶板使Q_s增幅达78.2W，较平板结构提高26%，这颠覆了传统认为靶板形状仅影响局部热分布的认知。流线分析揭示，凸面曲率使高温气体在径向扩展时产生向心分量，形成类似"涡流稳定器"的效果，这是实现协同角优化的物理本质。

该研究的重要意义在于建立了火焰冲击传热的场协同理论框架，提出"氢混合+凸面靶板+距离调控"的三元优化策略。工程应用方面，3.9%的热效率提升意味着大型工业炉年节约标准煤可达数百吨；科学价值方面，提出的Q_Φ-Q_s解耦模型为复杂燃烧系统分析提供新范式。研究还启示未来工作应探索三维非对称靶板结构，并考虑辐射传热对高温体系的贡献。这些发现不仅推动燃烧传热基础理论发展，更为新一代高效低排放燃烧器设计提供关键技术支撑。