差异扩散与混合层厚度对氢-空气三重火焰传播及NOx生成的协同效应

《Combustion and Flame》：Synergistic effects of differential diffusion and mixing layer thickness on hydrogen–air triple-flame propagation and NOx formation

　　

Jianyi Jiang|Tianze Yu|Haitao Lu|Hua Zhou|Long Zhang|Xuan Lv|Zhuyin Ren

摘要

本研究探讨了混合层厚度与差异扩散对氢-空气混合物的三火焰结构、NOx生成及火焰传播的协同影响。结果表明，差异扩散使火焰温度升高了28至164 K，且随着混合层厚度的减小，这种增强效应更为显著。差异扩散进一步加速了NOx的生成，这一过程受到温度升高的驱动；在混合层较薄的情况下，由于火焰结构更为紧凑且扩散分支附近的氧自由基浓度较高，这种效应更为明显。火焰传播速度与混合层厚度的关系并非单调变化：当混合层增厚时，传播速度趋于理论最大值；但随着混合层进一步增厚，扩散分支减弱，传播速度又会下降。本文提出了一种考虑曲率效应与差异扩散的标度律，并通过非线性修正，能够准确预测整个上升阶段中火焰传播速度随混合层厚度增加的变化情况。这项工作为优化混合策略提供了设计指导，有助于提高火焰稳定性与传播效率，同时抑制氢燃烧器中的NOx生成。

创新性与重要性本研究首次定量评估了混合层厚度与差异扩散如何共同影响氢-空气混合物的三火焰传播及NOx生成。研究发现，随着混合层厚度的减小，差异扩散的影响日益显著。通过考虑曲率效应与差异扩散，建立了新的三火焰传播速度标度律，从而能够准确预测整个上升阶段中火焰速度随混合层厚度增加的变化情况。值得注意的是，研究发现在大混合层厚度下火焰传播速度会出现下降现象，并将其归因于扩散分支的减弱。这项工作为优化混合策略提供了设计指导，有助于在氢燃烧器中平衡火焰稳定性、燃烧速率和NOx排放。