旋流协流作用下甲烷/氢气混合燃料燃气燃烧器性能的数值研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation of the performance of gas burners fueled with methane/hydrogen with swirl co-flow

本文推荐：该研究通过数值模拟（ANSYS-Fluent 2022 R2）结合GRI-Mech 3.0反应机理，探究了旋流协流速度（1-3 m/s）对CH4/H2混合燃烧的火焰稳定性、湍流火焰速度及温室气体排放的影响。创新性揭示了协流通过增强湍流混合（k-epsilon模型）和温度均匀性，显著降低火焰抬升高度并提升燃烧效率，为工业低NOx燃烧器设计提供理论依据。

　　

Highlight

本研究通过数值模拟揭示了旋流协流在甲烷/氢气混合燃烧中的关键作用，为优化工业燃烧器性能提供了新见解。

Numerical modelling

研究采用ANSYS-Fluent 2022 R2软件构建数值模型，基于k-epsilon湍流模型和GRI-Mech 3.0反应机理（含53种化学物种及325步反应）。通过自适应网格加密技术精准捕捉温度与组分梯度，确保火焰结构的计算精度。

Combustion modelling

针对CH₄/H₂混合燃料的复杂反应路径，选用GRI-Mech 3.0机制模拟部分预混燃烧过程。协流速度设定为1 m/s（C2）、2 m/s（C3）和3 m/s（C4），以对比无协流工况（C1）。

Results and discussion

1. 1.

   火焰稳定性：协流显著降低火焰抬升高度，2 m/s工况下火焰锚定效果最佳。

2. 2.

   温度场：旋流增强湍流混合，使最高温度分布更均匀，3 m/s时核心区温度提升12%。

3. 3.

   排放特性：协流促进HO₂自由基生成，导致NO_x排放增加，但H₂掺混比达30%时可实现碳减排与NO_x平衡。

Conclusion

旋流协流通过改善燃料-氧化剂混合效率，实现火焰稳定性和燃烧效率的协同优化，为氢能转型中的低排放燃烧技术提供解决方案。