燃烧器表面温度非均匀性对预混甲烷-空气火焰热扩散振荡特性的影响：二维模拟与一维模型对比

《Proceedings of the Combustion Institute》：Influence of burner surface temperature inhomogeneities on oscillation characteristics of premixed flames

　　

热扩散振荡的燃烧器稳定火焰（burner-stabilized flames）为详细化学反应机理（detailed chemical reaction mechanisms）的验证与改进提供了敏感目标。由于此类火焰通常因计算效率而采用一维（1D）假设建模，该假设在实际实验条件下的有效性仍不清楚。在本工作中，研究人员采用二维（2D）数值模型模拟预混振荡甲烷-空气火焰，研究燃烧器表面温度（burner surface temperatures）空间不均匀性（spatial inhomogeneities）的作用。燃烧器表面施加了合成温度分布（synthetic temperature profiles）和实验驱动温度分布（experimentally motivated temperature profiles）。结果表明，主导振荡频率（oscillation frequency）主要取决于最大燃烧器表面温度；相比之下，振荡振幅（oscillation amplitude）强烈依赖空间温度分布。中心处近一维的整体振荡（bulk oscillations）沿径向演化为波状、相位偏移火焰前锋（phase-shifted flame fronts）。因此，若已知最大燃烧器温度，一维（1D）模拟可可靠预测振荡频率，而多维模拟是捕捉振荡振幅空间变化和边缘边界效应（boundary effects）所必需的。新颖性与意义声明：本研究通过显式考虑入口温度场的空间不均匀性，弥合了一维火焰模拟与振荡燃烧器稳定平面火焰实验之间的差距。其新颖性在于结合测量和合成温度分布，定量评估其对非定常火焰动力学的影响。重要的是，该方法将热扩散振荡等瞬态运行工况作为稳健的验证数据（validation data）来源。通过利用振荡频率和振幅以及标准稳定火焰性质，本工作促进了对化学动力学模型（chemical kinetics models）的更严格验证。最终，纳入这些动态目标可提高一维（1D）模拟的预测能力（predictive capability），并支持复杂燃料混合物高精度反应机理的发展。

燃烧器稳定预混火焰（burner-stabilized premixed flames）广泛用于火焰结构、化学动力学和模型验证。McKenna等平焰燃烧器原则上可提供稳定、可重复且近一维（1D）火焰，因而适合与一维模拟比较。然而，低维假设的有效性关键取决于入口与热边界条件的均匀性和准确表征。实际平焰燃烧器边界并非完全均匀：已有实验显示，名义相同的不锈钢烧结基质McKenna燃烧器可出现显著偏离理想一维条件的情况，局部速度偏差可达±50%，基质存在径向温度梯度，中心与边缘温差超过70°C，冷却不足还可导致运行中热漂移；未控制的热边界和结构不均匀性可改变系统动力学，并使甲烷-空气火焰振荡频率移动达50%。相关研究还表明，H₂-CH₄火焰对入口与边界条件敏感，co-flow速度可使燃烧器稳定火焰振荡频率移动20%。尽管有这些证据，横向变化的燃烧器表面温度分布对热扩散振荡（thermo-diffusive oscillations）火焰动力学的影响尚未被系统研究，其对振荡频率、振幅、相位行为和火焰前锋结构的影响仍不清楚，且在热边界本质为二维时常用一维建模方法在多大程度上仍有效也不清楚。为此，研究人员采用OpenFOAM中的EBIdnsFoam对近化学计量甲烷-空气预混振荡火焰开展二维轴对称模拟，选取??_m=0.1 kg/(m²·s)、φ=1.10，并基于已有实验和文献确保处于稳定振荡区；考虑均匀C-300、C-388，线性C-Lin，阶跃C-Step和实验C-Exp等入口温度分布，其中C-Exp来自标准25 mm不锈钢McKenna燃烧器热像测量，操作30、90、150、300 s，300 s为准稳态温度场，中心与边缘温差超过70 K；同时用INSFLA进行一维对比。研究结论表明，主导振荡频率主要由最大燃烧器表面温度决定，振荡振幅强烈依赖空间温度分布，中心近一维整体振荡沿径向演化为波状相位偏移火焰前锋；若已知最大燃烧器温度，一维模拟可可靠预测频率，而多维模拟对于捕捉振幅空间变化和边缘边界效应是必要的。该研究桥接了一维火焰模拟与振荡燃烧器稳定平面火焰实验，将瞬态热扩散振荡作为验证数据来源，有助于更严格验证化学动力学模型并提高一维模拟预测能力。关键方法概括如下：二维轴对称计算域为19 mm×30 mm，主射流CH₄/air宽12.5 mm，N₂ coflow宽5 mm，壁厚1.5 mm；反应区网格75 μm，30 μm细化网格频率差小于2%；入口采用Robin型边界条件（Robin-type boundary condition），出口为非反射压力出口1 bar，侧向对称，壁面无滑移；EBIdnsFoam求解全可压Navier–Stokes方程，Cantera处理详细物种扩散，采用多组分输运模型（multi-component transport model）和Soret效应（Soret effect），考虑浮力，使用GRI 3.0机理（53种、325反应），对流项二阶总变差递减（total variation diminishing, TVD）格式，扩散项二阶中心差分，时间推进一阶Euler，Courant数0.4；一维对比采用INSFLA。实验温度分布来源于标准25 mm不锈钢McKenna燃烧器热像测量（30、90、150、300 s；300 s为C-Exp准稳态），操作点与稳定性图来自已有实验。结果部分如下。3.1 振荡行为：通过分析OH质量分数ω_OH分布、火焰前锋位置（flame front position, FFP）随时间的曲线，并与一维C-300结果对比，研究人员发现最大分离时中心反应区较薄，外缘??≈10–12.5 mm出现局部ω_OH集中，这是CH₄-air与N₂ co-flow相互作用、剪切层降低局部流速并改变混合梯度所致；当反应区接近燃烧器表面时反应增强，OH质量分数可指示局部热释放率（heat release rate, HRR），突然能量释放超过热损失后驱动火焰远离并在放热与热损失平衡处稳定；基于OH和基于HRR的FFP给出相同主导频率，振幅偏差低于7.5%，差异主要在绝对火焰位置；C-300温度均匀，边缘受co-flow影响，远离边界处振幅和相位近乎相同，整体振荡与一维结果吻合；??<10 mm时各案例平均FFP差异约10%，但振幅对温度分布高度敏感，C-300约60%火焰前锋近完美一维，而C-Exp约在距中心20%处即偏离整体振荡，不均匀温度案例呈现波状相位偏移，中心线??<3 mm逐渐恢复一维，??>10 mm二维效应强。3.2 频率分析：通过提取FFP的快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）频率并与已有实验对照，研究人员发现最大表面温度为388 K的C-388、C-Lin、C-Step和C-Exp频率一致为113 Hz±2 Hz，C-300为90 Hz；已有实验在相同操作条件下观察到频率随燃烧器外壳温度由92 Hz升至114 Hz，移动超过20%，支持数值结果；该结果定量验证了Moroshkina等提出的假设，即局部增强反应区产生的扰动主要调制振荡振幅，而全局振荡频率由最大燃烧器温度而非局部热波动控制；温度变化引起的入流速度变化对主导频率影响较小，匹配C-388在300 K出流速度的一维模拟给出136 Hz，约高20%。3.3 热通量分析：通过计算燃烧器表面热通量密度随时间及随FFP的变化并与一维结果比较，研究人员发现振荡呈非谐弛豫型而非正弦型，火焰接近燃烧器时热传递急剧增加且该状态仅短暂维持，远离时热损失降低且可维持较长时间；一维趋势与二维结果总体一致，C-Exp二维相位偏移明显，C-300仅火焰与co-flow过渡区明显偏离；最大热通量值接近，一维和二维最小火焰-燃烧器距离均约800 μm；C-300因近壁温度梯度更陡，同轴向位置局部热通量高于C-Exp，火焰稳定更下游并导致较低振荡频率。讨论部分总结：热通量分析进一步表明，热扩散振荡火焰受化学动力学、流动动力学、分子扩散和燃烧器表面热损失强非线性耦合控制；一维与二维在定性趋势上相似，但C-Exp的相位偏移和边缘效应体现二维特征。研究结论译文：本研究对不同入口温度分布下热扩散振荡的燃烧器稳定火焰进行了详细数值研究。入口条件的空间不均匀性主要影响振荡振幅，沿火焰前锋引入显著的二维调制；相反，主导振荡频率在所有案例中几乎恒定，并主要受燃烧器表面最热区域控制。该行为表明振荡由连接放热与输运的耦合热扩散过程控制。对相同和变化入口条件的系统比较显示，提高入流速度会缩短燃烧器表面与火焰前锋之间扰动输运的对流时间尺度，导致更高振荡频率；增强表面热损失会增加火焰-燃烧器分离并促进较低频振荡。此外，一维与二维模拟的直接比较展示了理想化模型假设的局限性和适用性：若已知最大燃烧器温度，一维模型足以准确预测主导振荡频率；二维模拟对于捕捉振荡振幅的空间变化和真实边界条件引起的边缘效应是必要的。总体而言，这些发现表明化学动力学、流动动力学、扩散和边界条件共同控制火焰稳定性和振荡，并支持设计稳定性更好、可重复性更高的燃烧器。重要的是，数值预测尤其是所观察到的振荡频率与实验测量和文献定量吻合良好，验证了所用计算模型并表明其捕捉高度敏感瞬态火焰动力学的可靠性。基于这些发现，未来工作将聚焦于具有确定性设计内部结构的增材制造燃烧器，通过主动控制气动和热边界条件严格最小化实验不确定性，最终提供高度可重复的环境以研究非定常火焰动力学并为燃烧模型验证生成高保真数据。