基于欧拉随机场(ESF)方法研究切向应变率对湍流预混氢火焰中NO排放的影响

《Combustion and Flame》：Investigation of tangential strain rate impact on NO emissions in turbulent premixed hydrogen flames using the Eulerian Stochastic Fields approach

　　

本研究采用大涡模拟(LES)结合欧拉随机场(ESF)方法，探讨了切向应变对NO排放的影响。模拟框架应用于挪威科技大学(NTNU)开发的锥形钝体燃烧器稳定的贫燃氢-空气预混火焰。通过改变入口条件系统地改变切向应变率，并分析其对火焰动力学和NO形成的影响。结果与实验测量数据进行了验证，显示速度统计和火焰结构具有良好的一致性。详细分析表明，对于本测试用例，切向应变率是火焰拉伸的主要贡献者，而曲率效应可忽略不计。增加切向应变会增强火焰活性直至达到临界阈值，超过该阈值后消耗速度下降。结果表明，平均切向应变率增加约24%可使每千瓦的NO排放减少近43%。这些发现凸显了基于应变的排放控制策略在氢燃烧系统中降低排放的潜力，并证明了ESF方法在模拟高应变湍流预混火焰方面的适用性。

研究背景与意义

随着全球能源转型的推进，氢能作为一种零碳排放的清洁能源载体，在替代传统化石燃料方面展现出巨大潜力。特别是在预混燃烧配置中，氢燃料能够实现高效率且温室气体排放量极低。然而，氢气极强的化学反应活性、极低的着火能量以及极高的扩散系数，给燃烧系统的稳定性控制带来了严峻挑战。例如，在预混配置中，氢气极易引发回火现象。此外，当使用空气作为氧化剂时，氢燃烧产生的高温会导致氮氧化物(NO_x)的高排放。尽管采用贫燃预混和部分预混燃烧可以降低NO_x的生成，但这又使得火焰面临固有的不稳定性及其与湍流的耦合作用，进一步增加了控制难度。

为了深入理解氢火焰物理机制并优化下一代低排放氢燃烧系统的设计，研究人员迫切需要精确捕捉湍流反应流中非稳态动力学的方法。大涡模拟(LES)在此领域表现卓越，能够解析湍流流场中大尺度的含能涡，而将较小尺度的亚网格尺度(SGS)效应进行建模。然而，LES在反应流模拟中的成功高度依赖于对亚网格尺度湍流-化学反应相互作用(TCI)的精确表征。传统的火焰面模型在处理氢火焰的优先扩散效应时往往需要额外的修正项，而增厚火焰(TF)模型则可能因人为增厚火焰面而无法准确表征热扩散不稳定性。因此，研究人员亟需一种能够在不依赖经验闭合假设的情况下，详细表征微分扩散效应和火焰-应变耦合的数值方法。

基于此，研究人员开展了本研究。本研究首次在三维钝体稳定火焰的实际配置中，系统性地揭示了如何利用切向应变率来降低NO排放。研究发现，适度增加平均切向应变率可显著降低单位功率的NO排放，这为基于应变的排放控制策略开辟了新途径，对设计下一代低排放氢燃烧系统具有重要的实践指导意义。

关键技术方法

为了攻克上述难题，研究人员采用了大涡模拟(LES)结合欧拉随机场(ESF)的先进数值框架。针对湍流-化学反应相互作用(TCI)，研究人员摒弃了传统的火焰面模型，转而采用输运过滤密度函数(T-FDF)方法，并通过欧拉随机场(ESF)公式进行近似求解，从而在不依赖经验闭合假设的情况下实现了对非线性化学源项的统计一致性封闭。

在化学反应机理方面，研究人员将基础化学机理与Capurso机理相结合，引入了NO生成反应路径，并采用恒定路易斯数方法处理各组分的扩散系数，以兼顾计算成本与精度。在几何设置上，研究基于挪威科技大学(NTNU)开发的经典锥形钝体燃烧器实验台架，设置了三个不同的入口质量流量工况，在保持当量比恒定为0.4的前提下，系统地改变入口流速以调节火焰面的切向应变水平。此外，为了验证三维LES模拟中预测的高应变火焰行为的一致性，研究人员还辅以一维对立流配置下的火焰面模拟进行对比分析。

研究结果

验证

在正式展开应变影响分析前，研究人员首先对数值框架的准确性进行了严格验证。通过将LES结果与实验数据在不同轴向位置进行对比，发现时均和均方根(RMS)轴向及径向速度分量均表现出良好的一致性。尽管在剪切层中径向速度的RMS存在一定的过高预测，但这主要归因于化学反应引起的密度和组分变化与流动动力学的相互作用。同时，时均过滤热释放率与实验测得的OH*化学发光数据在火焰长度和形状上也高度吻合。值得注意的是，验证结果表明，将随机场数量从4个增加到8个并未对速度和火焰结构预测产生显著影响，这确立了4个随机场在后续研究中的计算效率优势。

反应状态

研究人员深入分析了切向应变率对流动和热化学变量的具体影响。通过对总拉伸率、切向应变率和曲率的计算与分解，研究发现，在本测试案例中，切向应变率是火焰拉伸的主导因素，而曲率乘以位移速度的贡献几乎可以忽略不计。这一重要发现意味着，在该构型下，火焰行为主要由切向应变主导，从而允许研究人员将复杂的三维湍流火焰行为与一维对立流受应变火焰面进行有效类比和比较。

切向应变对火焰结构的影响

通过逐步提升入口质量流量（Case 1至Case 3），研究人员观察到火焰面切向应变水平的显著升高。随着切向应变的增加，氢基进程变量反应速率峰值向更高的反应活性区域移动，这是负马库什金长度混合物的典型特征。然而，当切向应变率达到约12,000 s^-1的临界阈值后，消耗速度开始下降，表现出正马库什金长度的特性。此外，高切向应变使得混合物分数分布曲线变得更加平坦，这表明切向应变在限制热扩散不稳定性方面发挥了关键作用，同时也反映出随着湍流强度的增加，湍流扩散逐渐超越了分子扩散的主导地位。

切向应变对NO排放的影响

关于NO排放的研究得出了极具价值的结论。虽然H和O自由基的峰值在低应变区会增加NO生成，但在高应变区（即Case 2和Case 3所处的区间），反应区内的H和O自由基峰值反而下降。这种还原直接削弱了通过NNH路径生成NO的速率，而非温度的变化所致（因为本研究中温度水平较低，热NO机理并非主导）。最终数据表明，当平均切向应变率仅增加23.9%时，每千瓦的NO排放质量流量大幅降低了42.6%。

讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员强调了本研究的核心突破。首先，研究明确界定了在当前的钝体稳定氢火焰中，切向应变率是控制火焰行为和排放形成的关键物理机制，而曲率效应可以忽略。其次，研究揭示了切向应变率存在一个关键的临界阈值（约12,000 s^-1），低于此值时火焰消耗速度随应变增加而提升（负马库什金长度特性），高于此值时则受到抑制并开始下降（正马库什金长度特性）。最后，研究证实了通过提高入口流速来增加切向应变率，能够有效利用NNH路径中自由基重新分布的物理机制，从而实现大幅减排。

综上所述，本研究得出的核心结论如下：

1. 1.
   欧拉随机场(ESF)方法结合大涡模拟(LES)，能够精确捕捉高应变湍流预混氢火焰中的微分扩散与火焰-应变耦合效应。
2. 2.
   在贫燃预混氢火焰中，切向应变率是火焰拉伸的绝对主导因素，曲率效应可忽略不计。
3. 3.
   氢火焰的消耗速度随切向应变率的增加呈现非单调变化，在达到约12,000 s^-1的临界阈值后会发生反转。
4. 4.
   在超过临界阈值的高应变条件下，通过操纵切向应变率可显著降低NO排放，具体表现为平均切向应变率增加23.9%可导致每千瓦NO排放锐减42.6%。
5. 5.
   基于应变控制的排放策略在氢燃烧系统中具有巨大的应用潜力，为下一代低排放燃烧器的设计提供了全新的理论依据与实践方向。