高压氢气微混燃烧室的直接数值模拟：火焰结构与稳定机制
流体动力学
2025-04-08 v1
摘要
采用带详细化学反应机理的直接数值模拟，研究了一种高压氢气微混燃烧室，以考察其火焰结构与稳定机制。燃烧室构型基于 Schefer [1] 的设计，利用数值周期性来模拟大型方形阵列。首先进行了反向射流入横流的前驱模拟，以为后续反应流模拟生成合适的部分预混入口边界条件。所得火焰可描述为一种以贫燃为主的非均匀预混抬升射流火焰。识别出五个主要区域：射流混合区、核心火焰、外围火焰、回流区以及燃烧产物。位于射流混合区上方的核心火焰以薄反应前沿形式燃烧，占总燃料消耗的 85% 以上。外围火焰包裹核心火焰，具有低平均流速与高湍流度，并在极贫燃条件下（分布燃烧区）燃烧。研究表明，在这些条件下湍流预混火焰传播速度慢了一个数量级，不足以稳定火焰。稳定机制被确定为源于射流燃料与极贫燃热产物的平均回流发生湍流混合所导致的点火事件。点火事件与剪切驱动的 Kelvin-Helmholtz 涡相关，且随流向距离增加而更易发生。在火焰根部观察到孤立事件，其发展为快速燃烧的火焰核并被吹向下游。更下游处，观察到近同时的空间分布点火事件，其更似点火片。本文最后进行了更广泛的讨论，考虑从本文所考察条件出发的推广。
引用
@article{arxiv.2309.04815,
title = {Direct numerical simulation of a high-pressure hydrogen micromix combustor: flame structure and stabilisation mechanism},
author = {Thomas L. Howarth and Mark A. Picciani and Edward S. Richardson and Marcus S. Day and Andrew J. Aspden},
journal= {arXiv preprint arXiv:2309.04815},
year = {2025}
}