半开口通道内早期预混氢-空气火焰传播的模型化近壁热汇效应工程评估

《Results in Engineering》：Engineering assessment of modeled near-wall thermal-sink effects on early premixed hydrogen-air flame propagation in a semi-open channel

　　

早期预混氢-空气火焰在半开口通道中的传播将前锋运动、压力发展、诱导流动和局部能量移除耦合在一起。本研究采用预设的近壁体积热汇区域作为受控降阶处理，用于在解析壁面耦合热建模超出研究范围时，筛查对壁面邻近能量移除的响应。研究人员在固定的三维半开口通道中评估了基准算例（L0）和三个递增的模型化热汇算例（L1–L3）。比较采用了由T ≥ 1200 K定义的共同15–30 mm前锋位置区间，以及锋前压力和流向速度、远端出口层速度、阈值/窗口敏感性检查。L1保持接近L0，而L2稍慢。L0得到区间平均前锋速度为52.94 m s^?1，压力增量为3.240 kPa；L3达到65.22 m s^?1和10.758 kPa。在匹配的前锋位置，L3相对于L0还表现出锋前压力和流向速度的最大增幅，而在30 mm前锋位置处远端出口层速度仍可忽略。因此，观察到的算例排序支持非单调耦合压力-流动响应，而非普遍阻尼序列。数值保证检查表明，在测试设置内，L3相对于L0的主要相对排序是相当稳健的，但并未建立完全收敛的绝对前锋速度或压力值。该结论仅限于预设源区域模型、固定几何形状和早期前锋位置区间。

论文解读

预混氢-空气火焰在受限和半受限通道中的传播是工程安全领域的重要问题，因为火焰运动、气体膨胀、诱导流动、压力发展和壁面相互作用在重叠的时间尺度上耦合演化。早期燃烧阶段并非可忽略的瞬态，而是点火细节、约束条件以及压力-流动反馈共同建立后续危险发展轨迹的关键阶段。已有文献表明，壁面摩擦、气体压缩和约束会改变火焰前锋与周围流场的耦合关系，且壁面邻近的热效应可能与反应、输运和优先扩散效应相互作用，而非简单的均匀修正。然而，现有研究主要针对物理壁面传热、火焰淬熄或常规管道传播，对预设壁面邻近体积源区域在相同早期前锋位置区间内的数值系统响应关注不足。固定时间比较可能混淆空间阶段与传播速率差异，单一标量指标也无法判断响应是局部化的、传递至远端出口还是分布于整个匹配前锋的压力和速度场中。因此，本研究旨在回答：在固定的半开口通道配置下，一种刻意简化的壁面邻近能量移除源处理如何改变耦合诊断排序。

研究人员在《Results in Engineering》发表的论文中，采用预设近壁体积热汇区域作为受控降阶模型，系统评估了该热汇强度对早期预混氢-空气火焰传播的影响。研究基于固定三维半开口通道（0.24 m × 0.02 m × 0.02 m），左端封闭、右端开口，初始化学当量比氢-空气混合物（p₀=101325 Pa，T₀=293 K）。主要算例包括基准情况L0（无热汇）和三个递增强度热汇情况L1–L3（τ_loss分别为4×10^?4、2×10^?4、1×10^?4 s）。比较采用共同的前锋位置区间15–30 mm（定义为T ≥ 1200 K的等值面），并辅以锋前压力、流向速度、远端出口层速度以及阈值/窗口敏感性检查。

研究采用的主要技术方法包括：使用OpenFOAM v2206中的rhoReactingFoam求解器，采用大涡模拟（LES）结合WALE亚格子模型；湍流-化学相互作用通过PaSR封闭（C_mix=0.05）表示；有限速率化学采用10种物种、27个反应条目的氢空气机理。近壁热汇通过标量编码源在2 mm壁面邻近单元层内施加感热焓移除项，移除速率正比于局部密度、参考比热容C_p,ref和温度差。诊断方法包括基于温度阈值的前锋位置追踪、锋前压力（T < 600 K冷细胞平均）、流向速度以及数值保证检查（网格敏感性、时间步控制、压力定义、C_p,ref变化、中间源强度算例）。

研究结果部分，首先在前锋历史（3.1节）中发现，基于共同15–30 mm区间，L0–L3的穿越时间分别为0.283、0.275、0.291和0.230 ms，L3比L0快18.8%，而L1和L2接近或略慢于L0，呈现非单调排序。区间速度和压力响应（3.2节）显示，L0的区间平均前锋速度U_15?30为52.94 m s^?1，压力增量Δp_15?30为3.240 kPa；L1分别为54.55 m s^?1和3.475 kPa，L2为51.61 m s^?1和4.589 kPa，L3则达到65.22 m s^?1和10.758 kPa，分别比L0增加23.2%和232.0%。最强热汇情况同时产生最短穿越时间、最大速度和最大压力增量。源区域热诊断（3.3节）表明，积分化学热释放Q_chem在四例间变动很小（0.503–0.550 J），而积分移除能量Q_loss从0增加到0.669 J，近壁最大温度从303.89 K升至361.51 K，说明L3虽施加最强能量移除，但局部温度反而最高，表明移除项与状态相关并存在反馈。压力-流动发展（3.4节）显示，L3的锋前压力和流向速度分离最明显，其15–30 mm锋前流向速度增幅约17.99 m s^?1，远超L0–L2的8.48–9.85 m s^?1；然而远端出口层速度在30 mm前锋位置处仍可忽略（L3约3×10^?6 m s^?1），说明早期响应局部化于前锋附近，而非已发展为远端排气。鲁棒性和数值保证证据（3.5节）表明，L3相对L0的主要排序在1100–1300 K阈值、12–27至18–33 mm窗口、网格从320×30×30细化至384×36×36、最大库朗数从0.01降至0.005以及不同压力平均定义下均得以保持，但绝对速度/压力值并未收敛；C_p,ref从1200 J kg^?1 K^?1变为1005和1400 J kg^?1 K^?1时，L3的速度和压力指标分别变化?9.14%/?26.55%和+11.52%/+31.69%，表明响应幅度对源模型参数敏感。匹配前锋场（3.6节）显示，在x_f≈25 mm处，L1–L3相对L0的均方根压力差异分别为0.36、1.22、5.42 kPa，流向速度差异为0.84、3.15、8.63 m s^?1，但近中心线温度分布保持接近，表明主要变化集中在压力-流动场重分布而非核心温度结构。

讨论部分指出，L3的较大表观前峰速度不能归因于积分化学热释放增加，而应解释为局部压力-诱导流动对实验室框架前锋运动的增强贡献。非单调响应表明热汇项并非被动的阻尼修正，而是耦合可压缩反应流中的主动参数。该结论仅限于预设源模型、固定几何和早期区间，不能推广至物理壁面热损失行为。研究还提出描述性时间尺度比Π_loss=Δt_15?30/τ_loss，用于组织算例比较，但强调其并非由当前数据确立的临界参数。局限性包括：未进行压力波分解、动量预算、PaSR内部量记录、更密集源强度扫描以及实验验证。

研究结论翻译如下：（1）在共同15–30 mm前锋位置区间上，L1保持接近无源基准L0，L2略慢但压力增量更大，L3具有最短穿越时间、最高区间速度和最大压力增量；具体地，L3的U_15?30=65.22 m s^?1、Δp_15?30=10.758 kPa，而L0为52.94 m s^?1和3.240 kPa。（2）增加预设源强度并不产生单调被动阻尼；尽管Q_loss和R_loss向L3增大，但积分Q_chem并未增加，因此L3的更快前锋运动不应被解释为内在燃烧速度的实测增强。（3）压力、速度和匹配前锋场证据一致表明，L3实验室框架前锋运动存在更强的局部压力-诱导流动贡献；L3展现出最大的锋前压力和速度分离，而其早期远端出口层速度仍可忽略，同时近中心线温度分布保持接近；这是一种有界、与证据一致的解读，而非唯一机制的证明。（4）L3相对L0的主要排序在阈值/窗口、网格细化、更低库朗数和替代压力定义下均保持，表明该相对排序在测试设置内合理稳健，但不意味着绝对速度/压力值完全收敛；C_p,ref研究表明响应幅度仍显著依赖模型参数，且中间L2.5算例不确立普适τ_loss阈值。（5）预设近壁体积热汇应被视为氢安全CFD中的主动耦合模型参数，而非被动修正；结论仅限于现有几何、化学当量比混合物、源公式和早期分析区间，不构成对物理壁面热通量、共轭传热或一般火焰-壁面响应定律的验证。

综上所述，该研究通过受控的数值实验矩阵和多元诊断框架，揭示了简化近壁能量移除处理在耦合火焰-压力-流动系统中的非单调效应，强调了工程CFD中应谨慎评估此类源项的行为，并为后续更精细的壁面热耦合建模和实验验证提供了方向。