预混效应对高压、贫甲烷-空气轴向燃烧中NO?生成量的影响

《Proceedings of the Combustion Institute》：Premixing effects on NO x scaling in high-pressure, lean methane-air axial stage combustion

NOx减排策略下高压力 lean 轴对称燃烧实验研究及标定方法，通过喷射混合与当量比调控分析NOx生成机制，结合化学动力学模型与CFD模拟混合均匀性计算，成功实现排放数据的标准化，验证了火焰区NOx主导机制及混合均匀性关键作用。

　　在当前的能源领域，减少污染物排放依然是电力系统开发与运行中的核心议题，尤其是在推动实现碳中和目标的背景下。随着全球对环境保护的重视不断加深，降低氮氧化物（NOx）排放成为关键任务之一。NOx主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）组成，其在火焰和火焰后区域的形成机制多样，涵盖了多种化学反应路径。近年来的研究表明，随着操作压力从大气压升高到高压条件，NOx的形成机制从“瞬时”机制向“热”机制转变，这表明在不同压力条件下，NOx的生成方式存在显著差异。因此，获取与实际发动机运行条件相关的实验数据，对于深入理解NOx的形成机制具有重要意义。

本研究设计了一种高压、燃料稀薄的轴向分段燃烧实验，旨在量化NOx生成与当量比以及燃料-空气预混程度之间的关系。在实验中，所有测试案例均采用恒定的稀薄交叉流条件供应给第二阶段燃烧区，该区域包含一个稀薄甲烷-空气反应喷流。通过这种方式，可以系统地评估不同参数对NOx排放的影响。实验结果表明，随着喷流当量比的增加，NOx排放也随之上升；而随着燃料-空气预混程度的降低，NOx排放同样增加。这是因为较少的预混喷流会形成局部富燃料区域，从而促进NOx生成热点的形成。为了更好地理解和归纳这些实验数据，研究团队采用了两种数据归一化策略。首先，通过详细的化学动力学模型，量化了不同当量比下的火焰和火焰后NOx的贡献。其次，利用轴向喷嘴内的混合分数分布，通过计算流体力学（CFD）模拟，捕捉了预混对燃烧过程的影响。

在实验数据的归一化过程中，首先仅使用个体NOx生成速率进行归一化时，结果在高度预混条件下收敛良好，能够有效消除当量比对NOx排放的影响，但在较低预混程度下则表现出较大的离散性。当进一步引入CFD得出的混合分数分布进行归一化时，数据趋势得到了更有效的压缩，使得不同预混条件下NOx排放的差异不再明显，从而表明该方法成功地消除了混合效应的影响。通过这种方法，研究团队获得了平均归一化排放值为0.34，标准偏差约为25%的结果。这些结果表明，该实验方法能够有效归纳实验数据，揭示在稀薄、预混、轴向分段火焰中，NOx排放受全球（当量比）和局部（喷流预混）燃料-空气变化的影响机制，这一运行模式此前尚未被详细研究过。

本研究的核心目标是通过实验手段，探讨在高压条件下，稀薄甲烷-空气喷流在交叉流中的燃烧特性以及NOx排放的变化规律。研究发现，在所有测试的当量比范围内，NOx排放的主要来源是火焰区域，而非火焰后的高温区。这种趋势与之前研究中富燃料喷流在交叉流中的燃烧情况有所不同，后者在整体当量比升高时，NOx排放反而降低。因此，该研究揭示了在轴向分段燃烧中，当量比和预混程度对NOx排放的相互作用机制。此外，研究还表明，在轴向分段燃烧过程中，由于轴向阶段的停留时间较短（约6毫秒），火焰区域的NOx生成成为主导因素，从而限制了火焰后区域NOx的贡献。这种发现对于优化燃烧器设计、减少NOx排放具有重要的指导意义。

在实验过程中，研究团队采用了高精度的测量设备，以确保数据的准确性和可靠性。同时，通过CFD模拟，研究人员能够预测喷嘴内的混合特性，并与实验数据进行对比。这种方法不仅有助于理解燃烧过程中的混合效应，还能够为燃烧器设计提供理论支持。此外，研究还探讨了喷流预混程度对火焰稳定性和NOx排放的影响。实验结果表明，较高的预混程度能够有效降低NOx排放，而较低的预混程度则可能导致火焰不稳定，并增加NOx的生成。因此，优化喷流预混程度对于实现低排放燃烧具有重要意义。

本研究的创新之处在于，首次系统地对高压、稀薄、轴向分段燃烧器中的NOx排放进行了实验研究。以往的研究主要集中在富燃料喷流的燃烧特性上，而本研究则聚焦于稀薄喷流的情况，探讨其在不同预混程度下的表现。通过这种方式，研究团队能够更全面地了解燃烧器在不同运行条件下的排放特性，为未来开发低排放燃烧器提供实验依据。此外，本研究还采用了先进的归一化方法，使得实验数据能够在不同参数条件下进行有效对比，从而提高研究的科学性和实用性。

在实验方法的设计中，研究团队特别关注了燃烧器的结构和运行条件。第一阶段燃烧器采用一种“倾倒式”设计，通过预混乙烷和空气，并结合氢气引燃喷嘴，以提高火焰的稳定性。第二阶段燃烧器则采用交叉流设计，通过恒定的稀薄交叉流条件，确保燃烧过程的可控性。这种设计不仅有助于减少NOx排放，还能够提高燃烧效率。此外，研究团队还对不同当量比下的火焰行为进行了详细分析，发现当量比的变化对火焰结构的影响较小，但在较低预混程度下，火焰稳定性会受到一定影响。

本研究的实验数据不仅为燃烧器设计提供了新的见解，还为燃烧过程的优化提供了理论支持。通过实验结果的分析，研究团队发现，在轴向分段燃烧中，当量比和预混程度对NOx排放的影响具有显著的相互作用关系。这种关系在不同的压力条件下表现不同，表明在高压条件下，NOx的生成机制与低压条件存在差异。因此，本研究的结果对于理解燃烧器在不同运行条件下的排放特性具有重要意义，同时也为未来开发低排放燃烧器提供了实验基础。

此外，本研究还强调了在燃烧器设计中，如何通过优化喷流预混程度和当量比，来实现NOx排放的最小化。在当前的燃烧技术中，许多研究都集中在如何通过改进燃料-空气混合来降低NOx排放，而本研究则进一步探讨了在不同压力条件下，这种改进的效果。研究结果表明，在高压条件下，提高喷流预混程度能够显著降低NOx排放，而降低预混程度则可能导致NOx排放增加。因此，该研究的结果对于优化燃烧器设计、提高燃烧效率具有重要的指导意义。

在实验过程中，研究团队还对燃烧器的性能进行了详细评估。通过对比不同预混程度下的实验数据，研究人员发现，在较高的预混程度下，燃烧器的性能更加稳定，NOx排放也相应降低。而在较低的预混程度下，燃烧器的性能会受到一定影响，导致NOx排放增加。因此，优化喷流预混程度对于提高燃烧器的性能和减少NOx排放具有重要意义。此外，研究团队还对燃烧器的运行条件进行了详细分析，发现不同的压力条件对NOx的生成机制具有显著影响，表明在高压条件下，NOx的生成主要集中在火焰区域，而非火焰后区域。

综上所述，本研究通过实验手段，系统地探讨了在高压、稀薄、轴向分段燃烧器中，NOx排放与当量比以及燃料-空气预混程度之间的关系。研究结果表明，较高的预混程度能够有效降低NOx排放，而较低的预混程度则可能导致NOx排放增加。同时，研究还发现，在高压条件下，NOx的生成主要集中在火焰区域，而非火焰后区域，这表明在优化燃烧器设计时，需要特别关注火焰区域的NOx生成机制。通过这些发现，本研究为未来开发低排放燃烧器提供了重要的实验依据和理论支持，同时也为燃烧过程的优化提供了新的思路。