采用虚拟化学反应方法对非绝热多工况湍流燃烧器的火焰结构和NO排放进行建模

《Proceedings of the Combustion Institute》：Modeling flame structure and NO emissions in non-adiabatic multi-regime turbulent burner with virtual chemistry

　　

摘要

为了提高火焰操作性并限制导致NO_x生成的热点，新一代航空燃烧系统倾向于采用贫油预混燃烧。然而，出于安全原因，燃料和氧化剂需分别注入燃烧室，导致多模态燃烧，即预混、部分预混和非预混火焰共存。在此背景下，燃烧工程师需要计算高效的CFD工具，能够在真实非绝热燃烧室中捕捉这些燃烧模态。本研究聚焦于氢气燃烧，提出了一种新型虚拟反应模型，该模型显式地纳入了NO_x的生成，同时能准确预测多模态火焰结构。为了了解新架构捕捉NO产生多种时间尺度（timescales）的能力，研究构建了两种虚拟机理。第一种仅考虑热路径（thermal pathway），第二种则旨在纳入快速的NO化学路径。该模型首先在1-D典型预混和非预混火焰片上进行验证。随后，所得到的虚拟机理在三维同轴双旋流HYLON燃烧器上进行了评估，这是该新型虚拟化学框架在湍流配置中的首次验证。使用虚拟化学的大涡模拟（LES）结果与实验测量值以及采用先进详细化学机理获得的预测结果进行了比较。扩展后的虚拟机理准确地捕捉了火焰结构，并且在火焰前锋面处的NO浓度描述优于缺乏快速路径的机理。尽管详细机理和虚拟机理均可获得可比的预测结果，但优化后的虚拟机理大幅减少了计算成本，降幅可达40%，这得益于物种和反应数量的大幅缩减。这一显著的计算成本降低——即使对于已经较轻的详细机理而言——为高保真建模工业燃烧器开辟了新的视角，后者依赖于重烃和喷气燃料，而计算成本接近本研究开发的虚拟机理。

新颖性与意义声明：设计下一代燃烧室的工程师需要预测性强且低成本的工具用于湍流燃烧建模。为满足这一需求，近期开发了一种基于标准热力学、动力学和输运特性的新型虚拟化学形式体系，使其能够轻松集成到传统的反应流求解器中。本文介绍了该体系在多模态HYLON燃烧器上的应用。除火焰结构预测外，还引入了一种四步架构来捕捉NO排放和多种化学路径。该方法的验证依据包括温度、物种和NO分布的实验测量数据，并通过与先进详细化学机理的NO源项对比进行进一步评估。因此，本工作为这些虚拟方案在高保真湍流火焰模拟和污染物预测中的应用提供了首次定性和定量验证。最后，本验证工作是向重碳化合物燃料扩展和标准化该方法论迈出的重要一步。

引言

未来的氢燃烧系统将很可能依赖氢气和空气的分别注入，以满足安全和运行需求[1]。此类配置促进了多模态燃烧，其中预混、部分预混和非预混火焰前锋共存[1]、[2]、[3]。从化学建模的角度来看，主要挑战在于简化详细化学机理，同时维持对所有这些燃烧模态中释热和污染物生成的准确预测[4]。在现有的复杂化学简化方法[5]中，虚拟化学在计算成本和精度之间提供了有价值的折中方案。简化化学机理，如骨架机理和分析简化化学机理[6]，通常能达到较高精度，但在计算上仍然昂贵，尤其是对于复杂烃类燃料。相比之下，查表化学方法[7]计算成本极低，但其适用范围有限[4]。在此背景下，虚拟化学提供了一种有吸引力的替代方案：一组虚拟物种和基元反应经过优化以重现选定的参考火焰特性，如层流火焰速度、火焰厚度[8]或污染物生成[9]、[10]、[11]，同时大幅降低计算成本。近期提出了一种通用方法论，用于优化具有标准化热力学、动力学和复杂输运特性的虚拟方案，所得全局反应模型在结构上与详细机理保持一致[12]、[13]。尽管已在从氢气到Jet-A燃料的层流火焰上进行了广泛验证[13]、[14]，但其在湍流火焰上的验证仍有待建立。

本工作研究虚拟化学预测湍流火焰结构和NO_x排放的能力。用于模型验证的目标配置是IMFT实验研究的涡流氢-空气HYLON燃烧装置[1]，该装置具有湍流、非绝热和多模态氢火焰特征[15]。专门用于预测NO排放的新虚拟方案架构[12]、[13]在第2节中介绍，并在第3节中通过1-D层流典型火焰进行验证。第4节介绍了HYLON燃烧器。最后，第5节比较了详细化学和虚拟化学预测的3-D湍流火焰与实验测量结果。

章节摘要

虚拟机理形式体系

本研究所采用的虚拟化学框架由Préteseille等人[12]、[13]近期开发，用于建模H₂-空气火焰结构。核心机理包含真实物种H₂、O₂、H₂O和N₂，并辅以两个优化的虚拟物种I和P。这些附加物种的设计分别用于恢复燃烧后气体的参考热化学状态以及氢燃烧的代表性关键火焰特征[13]。为实现NO预测，专门开发了一个子机理

1-D火焰模拟

采用19物种/92反应的C₃Mech详细机理[22]用于H₂-空气燃烧且含NO_x预测，作为构建学习数据库的参考，包含多组分输运[23]和Soret效应[24]。虚拟方案的训练数据库包含平衡状态和当量比φ∈[0.4,4.0]的1-D自由传播常压层流预混火焰。虚拟方案的优化使用CANTERA[25]配合CMA-ES算法[26]进行。

虚拟

实验与数值设置

HYLON燃烧器[27]、[28]是一种同轴双旋流氢-空气湍流燃烧器，由IMFT开发。本研究考虑的是新的燃烧器几何构型，该构型在TNF研讨会[29]背景下开发，重点关注常压条件，入口温度为298 K。该燃烧器表现出两种不同的稳定化模态：贴壁纯扩散火焰（火焰A）和悬浮多模态火焰（火焰L）。大涡模拟（LES）使用YALES2进行

湍流火焰结构分析

本节分析每种火焰拓扑的火焰结构，将详细化学和虚拟化学的结果与来自TNF数据库的实验测量值[2]、[29]进行比较。

结论

本工作证明了所提出的虚拟化学框架在多模态湍流配置中准确预测火焰结构和NO排放的能力。该简化机理重现了两种稳定化模态，即贴壁M形火焰和悬浮V形火焰，尽管仅通过预混层流火焰片进行训练。此外，它还准确地复现了详细化学所得的NO分布。专门反应的纳入

作者贡献声明

étienne Espada：调查研究、可视化、撰写初稿。Matthieu Préteseille：调查研究、可视化、撰写初稿。Samuel Dillon：监督指导、调查研究。Mélody Cailler：监督指导、调查研究。Renaud Mercier：监督指导、调查研究。Nasser Darabiha：监督指导、调查研究。Beno?t Fiorina：监督指导、审阅与编辑、调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢HESTIA项目的支持，该项目获得欧盟Horizon Europe研究与创新计划资助，资助协议编号101056865；以及MONTHY项目，该项目由法国国家研究署（ANR）在France 2030计划下资助，项目编号ANR 22-PEHY-0014。本研究使用了IDRIS、TGCC和CINES的高性能计算资源，分配编号为A0192B10253，由GENCI（法国国家大型计算设备）提供。最后，作者

étienne Espada|Matthieu Préteseille|Samuel Dillon|Mélody Cailler|Renaud Mercier|Nasser Darabiha|Beno?t Fiorina