在典型的Micromix氢火焰中，NOx的生成情况

《Proceedings of the Combustion Institute》：NOx production in a canonical Micromix hydrogen flame

氢气微混合燃烧中火焰结构及NO生成机制的三维直接数值模拟研究。摘要：通过DNS模拟两股纯氢喷射流在空气横流中的燃烧，发现火焰沿中心平面分为两支：背风侧低流速区域稳定火焰，以及跨流上方抬升火焰。热NO途径（Zel’dovich反应链）占主导，在富燃区NO浓度显著高于一维预混火焰预测值，表明三维湍流混合与后燃区驻留时间共同影响NO生成。与1D模型对比显示，分子扩散导致热NO前体物（N原子）扩散增强，富燃区NO浓度是1D情况的数倍。喷嘴间距10倍喷嘴直径时，相互作用区形成混合增强区，NO通过扩散从非预混区输运至富燃区。结论强调需考虑三维混合与后燃区驻留时间的耦合作用以准确预测NO生成。

　　氢气燃烧在燃气涡轮中具有独特的重要性，但也带来了许多挑战。氢气具有较高的扩散性和燃烧速度，这些特性使其在燃烧过程中表现出与传统燃料不同的行为。为了更好地理解氢气燃烧过程，尤其是氮氧化物（NOx）的生成机制，研究者们通过直接数值模拟（DNS）对两个氢气喷射流在空气横向流中的反应特性进行了详细分析。这种研究对于开发高效的“微混合”（Micromix）燃烧技术具有重要意义，因为该技术旨在通过将氢气喷射到燃烧室附近来防止回火，同时通过强烈的湍流混合减少氮氧化物的生成。本文的研究不仅揭示了氢气喷射流的结构特性，还探讨了NOx生成路径及其与湍流混合和燃烧过程的关系。

在燃烧过程中，氢气喷射流的火焰结构表现出复杂的形态。在喷射流中心平面上，火焰呈现出两个分支：一个稳定在背风侧，另一个则被抬升到喷射轨迹之上。背风侧的火焰由于喷射流周围回流区和边界层的影响，其流体的对流速度较低，因此更容易稳定。而被抬升的火焰则与喷射流的流场相互作用，可能在后续的流动中产生不同的反应路径。通过火焰指数的分析，研究者发现无论是非预混火焰还是预混火焰，都共存于燃烧过程中，并且在复杂的流动环境中发生强烈的相互作用。这种相互作用对于NOx的生成具有重要影响，因为火焰的温度分布和混合特性决定了反应路径的活性。

NOx的生成主要通过热反应（Zel’dovich）路径进行，这是近化学计量比区域的主要生成机制。而在较贫燃料或较富燃料区域，N?O和NNH路径则分别成为局部主导的生成机制。研究发现，在整个燃烧域中，NOx的生成主要依赖于热反应路径，而N?O和NNH路径则在特定的燃料富贫区域发挥重要作用。为了进一步研究NOx的生成，研究者引入了后火焰停留时间（post-flame residence time）这一概念，用以追踪流体在热反应路径主导区域的停留时间。这一分析表明，大量由热反应路径生成的NOx会被输送到富燃料区域，从而与一维层流参考案例产生显著差异。这说明，在实际的湍流燃烧过程中，NOx的生成不仅取决于反应路径本身，还受到流体混合和停留时间的影响。

此外，研究还比较了三维湍流燃烧与一维层流燃烧的火焰结构。尽管在某些区域，如化学计量比附近，三维燃烧与一维燃烧在火焰结构上表现出良好的一致性，但在富燃料区域，NOx的质量分数及其生成速率却与一维燃烧结果存在显著差异。这种差异主要归因于三维湍流燃烧中更强的混合效应和更长的停留时间。因此，为了准确模拟NOx的生成，需要考虑后火焰停留时间以及混合效应的综合作用。

通过研究NOx生成路径，研究者发现氮原子的转化路径在燃烧过程中起着关键作用。在非预混区域，氮原子主要通过热反应路径转化为NOx，而在预混区域，氮原子则主要通过N?O和NNH路径进行转化。尽管在富燃料区域，NOx的生成速率显著提高，但其生成主要来自于非预混区域的传输，而非局部的生成。因此，模型需要考虑NOx在燃烧域内的传输过程，而不仅仅是其生成反应。

研究还发现，喷射流之间的相互作用对NOx的生成具有重要影响。喷射流的相互作用导致了火焰结构的复杂变化，使得NOx的生成路径更加多样化。在背风区域，喷射流之间的混合促进了氮原子的转化，而在风向区域，由于混合程度较高，NOx的生成受到限制。这种喷射流之间的相互作用在三维湍流燃烧中尤为明显，因此在实际燃烧系统中，喷射流的布局和相互作用必须被充分考虑。

此外，研究者还发现，喷射流之间的相互作用会影响NOx的生成和分布。在背风区域，喷射流的相互作用导致了更多的氮原子转化，而在风向区域，由于混合程度较高，NOx的生成受到抑制。这种现象表明，在设计燃烧系统时，需要优化喷射流的位置和布局，以平衡NOx的生成和燃烧效率。

研究还指出，在微混合燃烧系统中，防止火焰在喷射流底部锚定是一个重要的挑战。此外，为了减少NOx的生成，需要在燃烧室中产生足够的湍流混合，以确保燃烧过程在均匀的混合条件下进行。这些发现对于实际应用中的燃烧器设计和燃烧过程优化具有重要意义。

总的来说，本文通过直接数值模拟的方法，详细分析了氢气喷射流在空气横向流中的燃烧特性，特别是NOx的生成机制。研究结果表明，NOx的生成不仅依赖于热反应路径，还受到混合程度和停留时间的影响。此外，喷射流之间的相互作用对NOx的生成具有显著影响，因此在设计燃烧系统时，必须充分考虑这些因素。这些发现为未来的燃烧研究和实际应用提供了重要的理论支持和技术指导。