水冷管束中氢同轴射流扩散燃烧与传热耦合机制的数值模拟研究

针对氢燃烧产生高浓度热力型氮氧化物(NOx)的难题，研究人员通过构建水冷管束氢同轴射流扩散燃烧模型，系统分析了结构与工况参数对燃烧-传热耦合特性的影响。研究发现，当管束横向间距(s)175 mm、纵向间距(l)130 mm、管径(D)60 mm时，NOx浓度最低达38 ppm，揭示了管壁冷却降低火焰温度抑制NOx生成的机制，为氢燃料锅炉设计提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放和高能量密度成为清洁能源焦点。然而氢燃烧产生高达3073K的绝热火焰温度，导致热力型氮氧化物(NO_x)排放激增，成为制约其应用的关键瓶颈。现有通过增加过量空气系数和烟气再循环的降温方法虽有效，但会牺牲锅炉热效率并增加系统复杂性。如何在不影响能效的前提下实现NO_x减排，成为氢能规模化利用的核心挑战。

针对这一难题，山东大学的研究团队创新性地将水冷管束集成于燃烧区，通过数值模拟与实验验证相结合的方法，首次系统研究了氢同轴射流扩散燃烧与水冷管束传热的耦合机制。研究发现，管束结构参数显著影响温度场分布：当横向间距(s)175mm、纵向间距(l)130mm、管径(D)60mm时，管壁冷却效应使NO_x浓度降至38ppm，较无冷却工况降低80%以上。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为氢燃料锅炉设计提供了重要理论支撑。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟技术，建立包含湍流模型、详细化学反应机理和辐射传热模型的三维数值模型。通过改变管束排列方式(s/l/D)、热负荷(P)、过量空气系数(α)和管壁温度(T_w)等变量，结合实验数据验证模型准确性，系统分析对流/辐射传热占比、烟气温度场和污染物排放的关联规律。

物理模型
构建矩形炉膛内对称布置2×3水冷管束的燃烧系统，氢气和空气通过同轴喷嘴中心注入。采用Realizable k-ε模型模拟湍流，详细化学反应机理描述H₂/O₂反应路径，DOM(离散坐标法)模型计算辐射传热。

结果与讨论

1. 结构参数影响：缩小管间距增强管束"冷壁效应"，但s<150mm时回流区扩大导致燃烧效率下降。最优配置(s=175mm,l=130mm,D=60mm)使辐射传热占比提升至62%，NO_x生成速率降低53%。
2. 运行参数调控：当α从1.2增至1.8时，火焰长度缩短40%，但过量空气导致H₂逃逸量上升12%。典型锅炉工况(α=1.5,P=30kW)下实现NO_x<50ppm与H₂<0.5%的双重控制。
3. 温度场耦合机制：管壁温度每升高100K，近壁区最高温度上升15%，NO_x生成速率呈指数级增长，证实冷却强度与NO_x抑制存在强相关性。

结论
该研究首次阐明水冷管束通过强化辐射散热降低火焰核心区温度的物理机制，提出"结构-传热-排放"协同优化设计准则。发现管束排列方式通过改变流场结构影响燃烧效率，而管壁温度直接调控NO_x生成动力学过程。相比传统减排方法，该方案在保持103%热效率同时实现超低排放，为开发新一代氢能装备提供了创新思路。研究团队Ning Wang等指出，该方法可拓展至其他高热值燃料燃烧系统，未来需进一步研究管束材料耐高温性能与长期运行稳定性。