氨/十二烷湍流非预混冷焰的大涡模拟研究：掺氨比对火焰特性及氮氧化物形成的影响机制

本文采用火焰面/进程变量（FPV）模型与大涡模拟（LES）相结合的方法，系统研究了不同氨掺混比（Ra）对湍流非预混氨/十二烷冷焰结构、燃料消耗及污染物生成的影响。研究揭示了氨添加通过改变冷焰熄火极限导致火焰抬升（Ra > 30%），并发现CH3NO2作为十二烷/氨低温氧化的关键耦合产物。氮氧化物（NO/NO2）生成呈现燃料型机制，与温度无显著相关性，为清洁燃料设计提供理论依据。

　　

Large-eddy simulation（大涡模拟）

在LES中，流场中的大尺度涡旋直接解析，而亚网格尺度湍流效应通过建模处理[51]。通过流体域变量的低通滤波实现尺度分离，燃烧建模中实际采用质量加权的Favre滤波方案：

ψ?(t,x) = 1/ρ? ∫ ρ(t,y)ψ(t,y)G(t,x,y;Δ)dy

其中上划线“?”表示滤波算子，波浪线“?”代表Favre滤波，t表示时间，x表示空间坐标，ρ为密度，G代表滤波核函数。

Experiment description（实验配置说明）

计算设置对应普林斯顿大学CARAT燃烧器的湍流非预混冷焰配置[48]。如图1所示，燃烧器采用三同心流道设计：中心燃料喷嘴（流道1）直径D=15mm，环形引导通道（流道2）提供主出口周围2mm径向间隙，外部协流管道（流道3）用于流动稳定。流道1燃料混合物由N₂、丙酮和燃料蒸气组成。

Choice of the progress variable（进程变量选择）

为表征详细化学反应机制主导的低温燃烧行为，选择合适的进程变量对湍流冷焰建模至关重要。根据Ihme等研究[58]，合适的 formulations 应遵循原则：（i）所选Y_C推导的输运方程需展现数值可处理性；（ii）组成反应标量应在相关时间尺度上呈现 temporal evolution；（iii）参数正交性需确保火焰状态与混合分数和进程变量间存在唯一映射。

Conclusion（研究结论）

本研究通过基于流形的方法对湍流非预混氨/十二烷冷焰进行建模，在LES框架下探究了氨掺混比对火焰结构、燃料消耗与产物形成的影响，以及温度与关键中间体的相关性。计算设置对应普林斯顿CARAT燃烧器配置，FPV模型已通过湍流冷焰实验和DNS模拟验证（Novoselov等，2019）。