铁粉尘本生火焰三维数值模拟与燃烧速度验证研究

研究人员针对铁粉作为可再生化学能源载体燃烧特性不明确的问题，通过三维数值模拟方法分析了铁粉尘本生火焰结构，验证了燃烧速度模型。研究发现三维火焰中氧气扩散与流场曲率显著影响燃烧速度，解决了传统一维模型预测值偏低50%的难题，为金属燃料燃烧系统设计提供了重要理论依据。

　　

金属粉末作为化石燃料替代品近年来备受关注，其中铁粉因其可循环利用特性成为研究热点。然而铁粉尘火焰与传统气体火焰存在显著差异：颗粒温度可远超气体温度，燃料与氧化剂浓度呈非线性关系，且火焰结构受颗粒热惯性影响会发生畸变。这些特性使得铁粉燃烧速度（S_L）的预测成为难题——此前一维模型预测值普遍比实验值低50%以上，这种差异被归因于火焰曲率效应，但具体机制尚未阐明。

德国埃尔朗根-纽伦堡大学联合德国航空航天中心的研究团队在《Fuel》发表研究，通过三维数值模拟揭示了铁粉尘本生火焰的真实燃烧机制。研究人员采用欧拉-拉格朗日框架，基于OpenFOAM?平台构建了包含温度依赖型热力学特性的颗粒模型，模拟了Fedoryk等学者实验中的铁粉燃烧过程。关键技术包括：(1) 采用对数双曲分布拟合实验颗粒尺寸分布；(2) 建立包含Stefan流修正的颗粒边界层传质模型；(3) 开发三种燃烧速度提取方法（面积法、角度法和流速法）进行交叉验证。

研究结果部分：

1. 火焰结构分析
   通过400K等温面重建火焰前沿，发现燃烧管外围的冷空气协流会与燃烧后区域混合，使反应层氧浓度（Y_O2）提升12%，这解释了三维模拟值(12.5-15.2 cm/s)比一维模拟(9.3 cm/s)更接近实验值的原因。

2. 燃烧速度验证
   角度法提取的燃烧速度与实验测量最为吻合，在当量比?=1.0时误差小于8%。值得注意的是，流速法结果对等温面选择敏感（325-1250K区间波动达3 cm/s），而面积法和角度法波动仅1 cm/s。

3. 一维/三维火焰对比
   提取r/R_max=0.5位置的火焰切片显示：虽然火焰前锋结构相似（η<2.5mm区域），但三维模拟中最大颗粒（20-30μm）在燃烧后区域的氧化速率比一维模拟快40%，证实了氧扩散增强效应。

讨论部分指出，本研究首次通过三维模拟量化了协流掺混对铁粉燃烧的促进作用，解决了长期存在的模型预测偏差问题。但研究也发现，当量比在1.0-1.5范围内变化时，燃烧速度仅产生<5%的波动，这种弱依赖性可能与火焰拉伸/曲率效应抵消氧浓度变化有关。作者建议未来可通过反流火焰实验分离这些影响因素，并开发包含高阶氧化物（Fe₂O₃）的热力学模型以拓展模型适用范围。该成果为设计基于铁粉的零碳燃烧系统提供了关键理论基础。