氢富集氧-甲烷火焰近场特性的差异扩散效应研究及其在燃气轮机优化设计中的应用

　　针对氢富集碳氢燃料在氧燃烧技术中因氢的高反应性和扩散性导致的燃烧器喷嘴设计难题，研究人员通过大涡模拟(LES)系统研究了蒸汽稀释环境下H2 /CH4 混合气与O2 的差异扩散(DD)效应。研究发现近喷嘴出口处DD效应显著，且流速比和蒸汽稀释率可调控火焰根部结构，为优化蒸汽稀释氧燃烧系统提供了关键理论依据。

　　

随着全球碳减排政策的收紧，氢能作为零碳燃料在动力推进和发电领域备受关注。氢燃烧虽具有成本低、转化效率高的优势，但其高火焰速度、高绝热温度特性易引发回火和自燃问题，而与传统燃料混合燃烧成为现有燃烧设备改造的有效途径。然而，氢的高扩散性（比甲烷快3倍、比氧气快4倍）导致混合过程中显著的差异扩散(Differential Diffusion, DD)现象，加之燃气轮机中纯氧燃烧可能增加NO_x
排放，亟需通过蒸汽稀释调控火焰特性。这些挑战催生了对氢富集燃料在复杂喷嘴结构下混合与燃烧机制的深入研究。

针对上述问题，中国的研究团队通过改进OpenFOAM平台的reactingFoam求解器，采用大涡模拟(LES)技术系统研究了三同轴喷嘴中蒸汽稀释的氢/甲烷-氧燃烧过程。研究覆盖雷诺数4400-13200、蒸汽稀释比7.75%-31.08%及两种流速比(λ=1.00/0.71)的工况，创新性地提出量化DD效应的差异因子ξ，揭示了近场流动模式（中心射流主导/外围射流主导）对湍流强度的调控机制。相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

关键技术方法包括：1) 基于LES构建考虑非均匀路易斯数的质量-能量耦合方程；2) 采用三同轴喷嘴分离喷射燃料/蒸汽/氧气；3) 通过改进的Bilger方法量化DD效应；4) 分析流速比和蒸汽稀释率对火焰结构的调控作用。

主要研究结果
Governing equations
通过引入有效扩散系数D_eff
和非统一路易斯数，建立了包含DD效应的过滤守恒方程，为精确模拟多组分扩散过程奠定理论基础。

Differential diffusion factor
在非反应工况中，定义的差异因子ξ=([H₂
]/[H₂
]_F
)-([CH₄
]/[CH₄
]_F
)成功量化了氢/甲烷的扩散差异，发现所有雷诺数下近喷嘴区域均存在显著DD效应。

Conclusion
研究表明：1) 低流速比或高蒸汽稀释会增强非反应工况的DD效应，但反应工况中高蒸汽稀释会减弱化学反应并抬升火焰根部；2) 流动模式（由雷诺数和流速比决定）通过改变回流区湍流强度来调控DD效应；3) 改进的ξ因子可有效表征化学反应与分子扩散的耦合作用。

该研究首次系统阐明了三同轴喷嘴中蒸汽稀释对氢富集燃烧DD效应的调控规律，为燃气轮机低NO_x
燃烧室设计提供了关键理论支撑。通过精确建模DD效应，可优化喷嘴几何参数和运行工况，实现混合特性与火焰稳定性的协同控制，对推进氢能技术在清洁发电中的应用具有重要工程价值。