湍流对贫预混氢气火焰热扩散效应的全局协同增强

《International Journal of Hydrogen Energy》：Global synergistic enhancement of thermo-diffusive effects by turbulence in lean premixed hydrogen flames

　　

贫预混氢气（H₂）/空气燃烧是通向低碳燃气轮机、工业燃烧器和推进系统的有前景途径，但也带来与高反应性、回火风险和输运效应强敏感性相关的基础性与实际性挑战。特别是，贫预混H₂/空气火焰因缺乏反应物的低Lewis数（Le）而强烈受热扩散（TD）不稳定性影响。H₂的优先扩散可增强正曲率区域的局部燃烧并产生胞状火焰结构。因此，准确预测此类火焰的湍流燃烧速率对于设计稳定高效的贫氢燃烧系统至关重要。直接数值模拟（DNS）研究表明，在TD不稳定条件下，平均燃料消耗率可显著超过层流燃烧速度的预期值。若干DNS研究已揭示TD不稳定性与湍流的相互作用方式。Aspden等人在当量比（?）为0.31的贫预混H₂/空气火焰中开展火焰-in-a-box DNS，分析了Karlovitz数（Ka）从10到1,562宽广范围内的湍流效应，表明TD效应在低Ka范围最强，但在湍流作用下以破碎的胞状火焰结构存续。该团队后续工作将反应速率增强归因于燃料自身分子扩散的直接作用。Berger等人的进一步探索性DNS研究考虑了雷诺数（Re）为11,000、Ka为15的三维贫预混H₂/空气狭缝燃烧器火焰，通过基线比较和输运性质改变证明湍流因曲率和应变率变化的增强而放大了?和反应速率的局部脉动。同一团队后续对相同狭缝燃烧器在Ka=20、50和230及恒定Re下的贫H₂/空气预混火焰的研究确认了火焰结构对Ka的变依赖性。在低Ka（<50）下，指状火焰结构向未燃气体发展，显著增加火焰表面积；在较高Ka为230时，火焰表面积由湍流控制并表现出类似热扩散稳定火焰的行为。近期研究表明，拉伸因子I₀=(S_T/S_L)/(A_T/A₀)（定义为全局消耗速度S_T相对层流火焰速度S_L的增强与湍流火焰面积A_T相对参考火焰面积A₀的增强之比）随Ka单调增加，但提示TD对火焰加速贡献的修正可基于依赖控制TD不稳定性的混合物组成的参数。近期实验研究已证明湍流与TD不稳定性之间的协同相互作用。Lapenna等人实验研究了CH₄/H₂/空气本生火焰，表明I₀随湍流增加而增大。若干实验利用摆动激光片技术通过Mie散射研究了球形扩张贫预混H₂/空气火焰，重建火焰生长，表明湍流同时增强火焰面积和I₀。Shi等人研究了Ka和停留时间对贫预混H₂/空气湍流射流火焰内部结构的影响。在固定轴向测量位置、主流速度为100 m/s条件下，他们证明将?从0.30增至0.45使Ka从7,690降至100，揭示了随微分扩散效应增加从分布式燃烧向强烈曲率相关反应区伴随超绝热温度的转变。尽管已有理论与数值研究，湍流对贫预混H₂/空气火焰TD不稳定性影响的实验研究仍然有限。特别是，先前实验研究同时变化多个参数，包括混合物组成、?或燃烧器几何，使湍流对TD不稳定性效应的解释复杂化。因此，需要在恒定?和几何条件下进行系统实验评估以考察湍流对TD不稳定性的影响。Shi等人研究了中高湍流水平（Ka=50–730）、固定?为0.4下湍流对贫预混H₂/空气湍流射流火焰TD不稳定性的影响，定性表明反应速率随Ka增加而降低，尽管火焰表面受湍流扰动更强，代表高Ka下湍流的负相互作用。然而，DNS研究提出的低至中等湍流水平下湍流对反应速率正协同效应的实验研究仍然有限。这些对比观察表明，湍流对贫预混H₂/空气火焰的影响不能仅用湍流燃烧速度或全局火焰表面积等全局量解释。因此，需要在全局层面（整体火焰传播）和局部层面（反应区小尺度行为）考察湍流效应。在本研究中，通过将Ka从38.6变化至99.2（处于Berger等人考虑的Ka范围内）研究湍流对贫预混H₂/空气火焰TD不稳定性的影响。Ka通过改变反应物流量而变化，同时?和燃烧器几何固定。高速Mie散射用于获得湍流火焰面积和全局消耗速度。低速OH-PLIF用于获得OH强度统计、检测锋面曲率以及曲率与OH梯度之间的关系。利用这些测量，在全局和局部层面考察湍流对TD不稳定性的影响。

**研究背景与问题**

贫预混氢气（H₂）/空气燃烧是通向低碳燃气轮机、工业燃烧器和推进系统的有前景技术路径，但因缺乏反应物H₂的低Lewis数（Le）而强烈受热扩散（TD）不稳定性影响，导致正曲率区域局部燃烧增强并形成胞状火焰结构。准确预测此类火焰的湍流燃烧速率对设计稳定高效燃烧系统至关重要。直接数值模拟（DNS）已表明TD不稳定性与湍流存在相互作用：Aspden等人在?=0.31、Ka=10–1,562范围内发现TD效应在低Ka最强但在湍流下以破碎胞状结构存续；Berger等人发现湍流放大?和反应速率局部脉动，低Ka下指状结构增加火焰面积，高Ka下火焰面积由湍流控制；拉伸因子I₀=(S_T/S_L)/(A_T/A₀)随Ka单调增加。实验方面，Lapenna等人和若干球形扩张火焰实验证明湍流增强火焰面积和I₀；Shi等人在Ka=50–730、?=0.4下定性表明反应速率随Ka增加而降低，代表高Ka负相互作用。然而，先前实验同时变化混合物组成、?或燃烧器几何等多个参数，使湍流对TD不稳定性效应的解释复杂化；DNS提出的低至中等湍流水平正协同效应的实验验证仍然有限。因此，需要在恒定?和几何条件下系统考察湍流对TD不稳定性的影响，并在全局和局部两个层面进行分析。

**研究内容与结论**

研究人员在无约束引导本生燃烧器上，固定当量比?=0.34和燃烧器几何，通过调节主流速度9–15 m/s将Karlovitz数（Ka）从38.6变化至99.2（Re=7,500–12,600），利用高速Mie散射（3 kHz，5,000张图像）获取湍流火焰面积和全局消耗速度，利用低速OH-PLIF（9.8 Hz，2,000张图像）获取OH强度统计、检测锋面曲率及曲率与OH梯度关系。结果表明：随Ka增加，火焰褶皱和全局燃烧响应增强，A_T/A₀、S_T/S_L和I₀分别增加6.4%、47.4%和38.6%；平均OH强度和OH空间脉动分别增加24.3%和18.1%；强正曲率（前缘点状）段比例及其OH梯度加权贡献增加；曲率-梯度敏感性α和Pearson相关系数R随Ka降低，表明局部曲率条件响应减弱。研究意义在于：在恒定?和几何条件下实验验证了DNS关于湍流对TD不稳定性正协同效应的预测，表明该协同主要体现于面积归一化燃烧响应I₀，而非火焰面积本身。

**关键技术方法**

采用无约束引导本生燃烧器（主喷嘴直径15 mm，贫H₂/空气?=0.34，引导CH₄/空气?=0.80）；通过质量流量控制器调节主流速度9–15 m/s以变化Ka（38.6–99.2），湍流强度13%–15%、积分尺度2.2–2.5 mm由非反应PIV测量；高速Mie散射（3 kHz，5,000张，DEHS油滴标记650 K等温线）获取火焰面积与消耗速度；低速OH-PLIF（9.8 Hz，2,000张，283.425 nm）获取OH强度、曲率及梯度统计；采用移动块bootstrap（10,000样本，100帧块）评估A_T/A₀统计稳健性。样本来源为本研究自建燃烧器实验队列。

**研究结果**

Mie散射结果表明：随Ka从38.6增至99.2，火焰高度增加9.8%而平均火焰形状和火焰刷厚度几乎不变，条件中位无量纲火焰表面密度（FSD）Σ_2Dl_I剖面自相似；归一化二维火焰长度l_n=l_T/h的均值和标准差均随Ka增加，表明湍流同时增强整体火焰褶皱和时间锋面脉动；A_T/A₀增加6.4%、S_T/S_L增加47.4%、I₀增加38.6%，I₀>1表明反应物消耗快于表面积增加的预期，为TD不稳定性特征；移动块bootstrap给出A_T/A₀均值增幅95%置信区间4.25%–8.49%，统计稳健但幅度适中；曲率概率密度函数（PDF）随Ka变宽、负偏度减小，表明湍流部分改变流体动力学不稳定性相关形态；实验S_T/S_L随u′/S_L变化与Aspden等人和Moitro等人DNS数据量级相当且趋势一致，支持报告Ka依赖性并非主要由引导-主流当量比失配控制。

OH-PLIF结果表明：随Ka增加，平均OH强度ī_OH和标准差σ?_OH分别增加24.3%和18.1%，高OH强度胞状区域更显著；将ROI分为近引导下区和远引导上区检查，ī_OH主要在上区增加（约41%）而下区几乎不变（约5%），表明OH增强主要与发展的主火焰相关而非引导诱导分层；OH梯度检测锋面曲率PDF随Ka变宽，表明检测反应区锋面褶皱增强；曲率-梯度敏感性α_j的PDF随Ka向低值移动，Pearson相关系数R均值从Ka=38.6的0.11降至Ka=99.2的0.085，表明局部耦合减弱，与Howarth等人DNS一致；联合概率分布显示最可几OH梯度位于近零曲率带|κ|κ_δ（κ_δ=1/(2δ_L)=0.42 mm^?1），该带内检测锋面段比例从41%降至38%；强正曲率段概率P(κ>κ_tail=2.0 mm^?1)从4.92%增至6.28%，强负曲率段从0.34%增至0.77%，两尾之差从4.58%增至5.51%，OH梯度加权正曲率尾贡献从4.63%增至5.99%、负曲率尾从0.26%增至0.61%，两贡献之差从4.37%增至5.38%，表明高曲率段增加不对称，支持前缘点状正曲率段对面积归一化燃烧增强贡献更大的解释；空间分辨率检验（模糊至基线1.5和2.0倍）后尾统计增幅仍存在。研究人员指出，局部参数α和R降低与全局I₀增加并不矛盾，因二者描述不同统计量：全局面积归一化燃烧可在曲率-梯度线性关系减弱时增加，I₀增加被解释为湍流修正TD效应的全局结果而非单一局部机制证据。综上，随Ka增加观察到两个相关效应：检测锋面更褶皱且强正曲率（前缘点状）段比例增加；局部OH梯度对曲率的响应减弱，但全局火焰响应增强，主要来自面积归一化燃烧响应I₀而非火焰面积。

**讨论与结论**

讨论部分指出本研究局限：诊断均为二维，无法完全捕捉三维火焰褶皱和面外曲率，前缘点与前缘边无法用单一二维曲率区分，故前缘点解释为定性而非定量；引导与主火焰失配仍可造成绝对层流归一化不确定性；Ka范围限于38.6–99.2，需更高Ka测量以与报告高Ka负相互作用的先前研究直接比较。

结论部分翻译如下：本研究通过实验证明了贫预混氢气（H₂）/空气火焰中湍流与热扩散（TD）不稳定性之间的正协同相互作用。该相互作用此前未在恒定?下通过实验充分验证。在本实验中，Karlovitz数在恒定当量比（?=0.34）和相同燃烧器几何下从38.6变化至99.2。由于燃烧器几何未改变，研究中避免了不同燃烧器几何对湍流-TD相互作用的影响。由高速Mie散射结果，随Ka增加火焰褶皱和全局燃烧响应增强。当Ka从38.6增至99.2时，A_T/A₀、S_T/S_L和拉伸因子I₀分别增加6.4%、47.4%和38.6%。对A_T/A₀的逐帧分析也表明平均A_T/A₀的增加统计稳健，尽管瞬时脉动较大。基于OH-PLIF结果，平均OH强度和OH空间脉动随Ka增加，代表强OH区域出现频率更高。强正曲率（前缘点状）段比例随Ka增加，其OH梯度加权贡献也增加。此外，随Ka增加，曲率-梯度敏感性α和Pearson相关系数R降低，表明在给定正曲率下|?I_OH|的曲率条件增加在较高Ka时减弱，尽管在每个条件下正曲率仍与较大|?I_OH|相关。总之，本结果表明在?=0.34、Ka=38.6–99.2的贫预混H₂/空气火焰中湍流与TD不稳定性存在正协同相互作用。该结论适用于本引导配置和二维诊断。该相互作用主要体现于面积归一化燃烧响应I₀。火焰褶皱也略有增加，前缘点状正曲率段贡献增加，OH强度增强。本研究将DNS关于湍流对TD不稳定性正协同效应的预测的实验验证扩展至恒定?下的H₂/空气预混火焰。未来工作需在更高Ka下测量以检验该正效应是否持续、饱和或逆转，并需三维诊断以测量面外褶皱和火焰表面主曲率。