基于计算流体动力学与图像处理技术的MILD条件下甲烷/氢湍流射流火焰可见发光区域数值预测

《Fuel》：Numerical prediction of visible luminous flame regions in a methane/hydrogen turbulent jet flame under MILD conditions using CFD and image processing

　　

研究人员针对MILD（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution，中低温低氧稀释）燃烧条件下体积比为1:1的甲烷/氢湍流扩散火焰，在不同伴流组分下开展研究，将实验火焰图像提取的可见火焰区域与采用多种潜在火焰标记物的数值模拟结果进行对比，并利用定量指标评估数值识别火焰区域与实验照片的一致性。结果表明，基态CH自由基质量分数的空间分布在所考察变量中对可见火焰包络的预测精度最高。尽管基态CH不发射可见光，但其浓度峰值位于反应区，该区域同时形成导致可见化学发光的电子激发态物种，因此与观测到的发光火焰区域存在强空间相关性。H、O及OH等自由基因富集于高强度化学反应重叠区，亦表现出与火焰区域的合理一致性。此外，涉及CH的关键基元反应的反应速率经检验可提供相当的火焰区域预测能力，一致率超过90%。本研究证明结合计算流体动力学(CFD)与图像处理技术可通过直接对比火焰区域几何特征验证湍流扩散火焰模拟结果，也是首次针对MILD条件下甲烷/氢火焰系统比较实验可见火焰区域与数值火焰标记物的系统性研究。

该研究发表于《Fuel》，聚焦于MILD燃烧条件下甲烷/氢湍流射流火焰可见发光区域的数值预测与验证。当前燃烧数值模拟虽已成为重要研究工具，但火焰区域的确定仍具挑战，传统验证多依赖温度、物种质量分数等标量对比，缺乏可见火焰几何形态的系统量化评估。尤其在MILD燃烧中，伴流氧稀释程度变化显著改变火焰发光特性与形态，现有研究尚未系统比较实验可见火焰区域与数值预测轮廓，对氢掺混燃料而言，这种缺失限制了模拟结果的可靠验证。为此，研究人员基于Dally等的Adelaide燃烧器构型，针对体积比1:1的甲烷/氢混合燃料，设置三种伴流氧质量分数工况，开展实验与数值模拟耦合分析。

关键技术方法包括：采用GRI-MECH 2.11详细化学反应机理，在ANSYS FLUENT 25.1中求解流动、能量及组分输运方程；开发包含对比度调整（线性映射与直方图均衡化）、滤波（线性、中值及维纳滤波）、背景减除（形态学开运算）及二值化（Otsu法与自适应阈值）的图像处理流程；通过网格收敛指数(GCI)法进行数值不确定性验证，并采用交并比(IoU)、召回率(ρ)、精确率(π)及F1分数等指标量化实验与数值火焰区域的一致性。

研究结果如下：

4.1 验证：通过非单调收敛数据的误差估计方法，确定最优网格方案，火焰区域数值不确定性约为8%，平均温度数值误差低于0.35%，验证了模拟的可靠性。

4.2 验证：温度与主要组分（CO₂、H₂O、O₂）的数值结果与实验数据吻合良好，表明数学模型能准确捕捉MILD火焰的热化学特征。

5.1 火焰图像预处理：线性对比度映射优于直方图均衡化，可减少背景噪声并增强火焰区域辨识度；10×10线性滤波与适配不同工况的形态学结构元素尺寸（伴流氧浓度越低，背景减除结构元素半径越大）可有效提取火焰轮廓，避免非物理合并火焰中空结构。

5.2 与数值预测对比：非可加量（如物种质量分数）对比显示，CH、H、O及OH自由基的质量分数分布与实验火焰区域一致性最佳，其中CH质量分数的F1分数在工况2达58.1%、工况3达56.6%；温度场虽召回率近100%，但显著高估火焰范围；湍动能(k)与耗散率(ε)无法准确标记火焰位置。可加量经Abel变换后，涉及CH的基元反应（如反应130、131、132、133）的速率分布与可见火焰区域高度相关，总热源则相关性差。

讨论与结论部分指出，基态CH虽不直接发光，但其浓度峰值区与CH^*等可见发光物种的生成区重合，是MILD甲烷/氢火焰可见区域的最优标记物。H、O、OH自由基因共存于强反应区亦具参考价值。该方法无需引入激发态物种动力学，仅需标准燃烧机理即可实现火焰几何形态的可靠验证，但仅适用于存在可见发光或可探测波段辐射的火焰。研究首次实现了MILD条件下该类火焰实验与数值火焰区域的系统对比，为湍流燃烧模拟验证提供了新范式，未来将优化低辐射工况下的图像预处理，并引入含激发态物种的详细机理进一步提升预测能力。