贫氢燃烧中时序可控的超声激励：声-火焰耦合与NOx权衡

《Energy》：Timing-controlled ultrasonic excitation for lean hydrogen combustion: Acoustic–flame coupling and NOx trade-off

　　

摘要

为研究恒容燃烧室中稀薄氢燃烧的定时超声激励，建立了一个在超声源面具有移动边界的三维数值模型。该模型通过与基线条件和超声激励条件下的实验压力曲线进行了验证，峰值压力误差在5%以内，并捕捉到了压力上升行为。在1 bar、φ = 0.4、32.3 kHz和19 μm条件下，激励延迟对声-火焰耦合有显著影响。2–4 ms的延迟使得超声扰动与火焰快速膨胀及主放热阶段重叠。与非超声基线相比，2 ms延迟使峰值压力增加了2.04%，最大压力上升率提高了18.89%，峰值压力时刻提前了0.20 ms。延长激励持续时间促进了压力上升、OH生成、放热集中以及主燃烧持续时间的缩短；然而，大多数增强指标在10–12 ms时趋于饱和。温度和NOx结果表明，更强的燃烧增强通常伴随着更高的峰值温度和增加的NOx生成。在研究范围内，2 ms延迟配合25 ms持续时间产生了最大的燃烧增强响应，而2 ms延迟配合10–12 ms持续时间在燃烧增强、激励持续时间和NOx惩罚之间提供了更均衡的定时窗口。这些发现为在低碳能源转换系统中协调燃烧增强与排放约束、改善稀薄氢燃烧提供了定时控制策略。

引言

随着全球能源需求持续增长和环境问题日益突出，与化石燃料消耗相关的CO2排放和污染物生成已成为制约可持续能源发展的主要因素[1]。受碳中和目标和低碳能源系统转型的驱动，氢气作为能源转换和发电应用中的清洁替代燃料日益受到关注。氢气燃烧在使用端不产生碳基排放，并具有一些有利的燃烧特性，包括高热值、高扩散性、宽可燃极限和高层流燃烧速度[2,3]。这些特性使氢气适用于稀薄燃烧，并在高效内燃机、氢燃气轮机、航空推进和无人机动力系统方面具有强大潜力[[4], [5], [6]]。因此，在保持低排放的同时提高氢气燃烧稳定性已成为燃烧与能源转换研究中的重要课题。

尽管具有这些优势，氢气燃烧仍面临一些挑战。其极低的点火能和极高的火焰传播速度增加了在封闭燃烧系统中发生回火、预燃和燃烧不稳定的风险[7]。此外，氢气的高热扩散性使火焰结构对局部流动扰动和当量比变化极为敏感，可能导致火焰变形和不稳定传播。虽然稀薄燃烧可以在一定程度上抑制热型NOx的生成[8]，但通常会降低火焰传播速度、延长燃烧持续时间并增加燃烧不稳定性[9,10]。因此，稀薄氢燃烧的关键挑战在于增强火焰传播和放热的同时，协调燃烧稳定性和NOx排放控制[11]。

恒容燃烧室因其边界条件明确、重复性好且便于光学测量，已被广泛用于研究氢气火焰传播、压力发展和排放特性[[12], [13], [14], [15]]。本研究选择恒容构型作为受控的机理研究平台，而非直接替代发动机气缸。其固定几何形状和恒定的腔体体积排除了活塞运动、阀门驱动流动、燃料喷射分层和循环间变化等对本分析的影响。同时，固定的声传播路径和同步的光学成像与压力测量，使得在可重复条件下能够隔离超声激励与火焰发展之间的时间关系。这些特性特别适合验证移动超声源边界模型，并识别激励延迟时间和激励持续时间各自的效应。先前研究表明，当量比、初始压力、点火能和早期火焰结构对氢气火焰传播和燃烧行为有显著影响[2,16,17]。在稀薄条件下，降低的层流燃烧速度使火焰前面对局部流场扰动更为敏感。适度的湍流可以促进火焰前锋起皱[18]，增加火焰表面积，增强火焰传播[[19], [20], [21]]。在恒容燃烧中，火焰加速与局部流动结构和压力积聚密切相关[22,23]。在升高压力和温度条件下，氢气火焰还可能表现出更强的不稳定性以及更明显的局部热点形成[11,24]。

混合物形成和局部当量比分布也是控制氢气燃烧稳定性的重要因素。先前研究表明，喷射压力、喷嘴尺寸和喷射策略可以影响氢气燃烧系统中的局部混合物均匀性和燃烧组织[[25], [26], [27], [28]]。尽管氢气的高扩散性促进了快速混合，但在某些条件下也可能导致局部富油区域，增加回火和异常燃烧的风险[29]。对于稀薄预混氢火焰，外部流场调控提供了一种在不改变全局当量比的情况下改善火焰发展和放热集中的潜在途径。

近年来，主动流控和声增强已成为改善燃烧稳定性和放热特性的有前景的方法。声学和超声激励可在燃烧室中产生周期性压力波和速度扰动，从而改变局部流动结构、增强燃料-空气混合并提高火焰反应区的活性[30]。先前的研究表明，声学扰动可显著影响预混火焰传播和燃烧不稳定性。对于氢气和含氢混合火焰，声学激励不仅改变火焰前锋形态，还影响火焰传播过程中的热-声耦合[[31], [32], [33]]。通过改变局部速度和压力场，声学扰动可以促进火焰前锋起皱并强化燃烧[34,35]。

超声辅助燃烧已被报道可以改善局部混合物均匀性、促进反应区发展并提高燃烧效率[30,36]。在稀薄条件下，超声激励可增强球形氢火焰传播并改善火焰稳定性[37]。它还可以改变火焰形态、放热分布、局部OH自由基分布和腔体压力发展[36,38]。在超声激励下，火焰前锋倾向于表现出更强的起皱，增加了火焰-未燃气界面并扩大了反应区面积。同时，超声扰动可诱发局部流动扰动和微尺度涡旋结构，进一步促进火焰发展和放热集中。这些效应对稀薄氢火焰尤为重要，因为它们本身存在传播相对较弱和稳定性较差的问题。

超声激励还改变了火焰发展过程中的局部温度分布和压力波传播。周期性声压和速度波动可与火焰前锋相互作用，改变局部放热分布并强化腔体压力上升[35]。声学扰动与火焰传播之间的耦合可能集中燃烧过程并增强压力发展强度[32]。然而，过量或相位不当的超声激励也可能产生局部高温区域并促进热型NOx的生成。因此，超声辅助稀薄氢燃烧涉及声学扰动、火焰前锋演化、反应区发展、放热和排放生成之间的耦合过程。

先前的超声辅助燃烧研究表明，声学激励可以改变火焰传播、压力发展、燃烧效率和污染物生成。Di等人[36]研究了超声供给持续时间对发动机燃烧和排放的影响，而Zhu等人[37]展示了超声增强稀薄球形氢火焰传播的潜力。这些研究证实了超声激励的燃烧增强潜力。然而，它们主要关注总体燃烧响应，而超声压力扰动在腔体内的传播及其与火焰核生长、火焰快速膨胀和主放热阶段的时间同步仍不够充分。特别是，激励延迟时间和激励持续时间对有效声-火焰耦合窗口的单独效应尚未被系统阐明。

数值模拟提供了一种有效工具，用于解析声学扰动与火焰发展之间的耦合，这在实验上难以完全捕捉。CFD已被广泛应用于预混氢燃烧和火焰传播，能够分析腔体流动演化、火焰前锋发展、压力响应和放热特性[[39], [40], [41]]。G方程模型计算效率高且适用于预混火焰前锋追踪，已被广泛用于氢气燃烧预测[42]。氢气氧化机理的进展进一步支持了氢/空气燃烧的数值模拟[43,44]。与恒容燃烧室实验相结合，数值模拟可以揭示超声压力波、火焰前锋形态、OH反应区演化和放热行为之间的瞬态相互作用[45]。CFD还已被应用于氢气喷射、预燃室射流点火和燃烧组织优化，为提高燃烧效率和降低排放提供了有益指导[[46], [47], [48]]。

基于这些实验和数值进展，本研究将激励延迟时间和激励持续时间视为定义单次超声激励窗口起始和持续时间，而非两个不相关的控制变量。尽管先前的研究考察了声学激励下的宏观燃烧响应和火焰动力学[32]，但该激励窗口的起始和覆盖如何决定压力发展、OH生成、放热、燃烧持续时间和NOx生成仍理解不足[30,37]。为弥补这一差距，建立了一个具有物理移动超声源边界的三维数值模型，并与基线和超声激励条件下的实验压力曲线进行了验证。采用逐步参数策略：首先在固定持续时间下改变延迟时间以识别相位匹配窗口，然后在选定延迟下改变激励持续时间以确定快速火焰传播和主放热阶段所需的时间覆盖范围。通过关联内部声响应与燃烧和排放指标，该框架揭示了从时机不当或不足的激励到有效声-火焰耦合的转变，以及最终的收益递减。这种统一的定时窗口解释构成本研究的主要科学贡献。

实验系统与数值几何

本研究的数值模型是基于超声辅助恒容燃烧自建实验平台开发的。实验系统包括恒容弹、点火系统、超声激励系统、进排气系统、温度控制、光学诊断和数据采集，如图1所示。弹体采用水平圆柱形燃烧室，内径50 mm，轴向长度70 mm。石英

超声移动边界的声响应与传播特性

图8展示了超声激励下各轴向监测点的压力波动响应。如图7所示，P1位于超声源边界附近，而P15位于对面，距离声源最远。因此，P1至P15各点沿传播方向对应距超声源逐渐增加的距离。图8(a)展示了总体压力演化，图8(b)至8(d)提供了放大的视图

结论

本研究建立了一个具有超声移动源边界的三维数值模型，用于研究初始压力为1 bar、当量比为φ = 0.4的稀薄氢/空气恒容燃烧。研究了超声延迟时间和激励持续时间对声响应、压力发展、火焰传播、反应放热和NOX生成的影响。主要结论如下。

(1)超声移动边界产生了可识别的

CRediT作者贡献声明

石程：原稿撰写、资源、项目管理、方法论、获取资助。牛俊杰：原稿撰写、数据整理。刘畅：调查研究、形式化分析。李雪宜：项目管理、获取资助。鲍建辉：原稿撰写、可视化、验证、概念化。朱坚：验证、软件。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的 competing financial interests或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（批准号：52505091）、广西重点研发计划（批准号：AB25069369）和河北省自然科学基金（批准号：E2025203113）提供的财政支持。

石程 | 牛俊杰 | 刘畅 | 李雪宜 | 鲍建辉 | 朱坚

燕山大学车辆与能源学院，河北省化石能源低碳发展与资源利用工程技术研究中心，河北秦皇岛，066000，中国