水冷管束间氢燃料射流扩散与微混燃烧特性的实验与数值模拟研究

本研究通过实验与数值模拟对比了水冷管束环境中氢燃料的射流扩散燃烧（jet diffusion）与微混燃烧（micromix）特性，发现微混火焰更薄更短、刚度（stiffness）更强，H2排放趋零但NOx较高（75 ppm@1.4kW），揭示了火焰-管束耦合机制及NO/NO2转化规律，为氢燃烧器设计提供新见解。

　　

Highlight

本研究亮点在于首次对比水冷管束环境下氢燃料的两种燃烧模式：同轴射流扩散与横向射流微混燃烧，揭示了火焰形态、传热特性与污染物生成的耦合机制。

Physical model

物理模型

实验与数值模拟采用同轴套管结构的两种燃烧器构型（图1a）。扩散结构中氢/空气通过独立通道形成分层流动，微混结构则通过横向射流实现燃料预混，特征火焰直径<10 mm。

Experimental method

实验方法

如图3所示系统包含气体分配、循环水、燃烧及检测装置。氢/空气流量通过质量流量计精确控制，采用热电偶测温、烟气分析仪检测NO_x/H₂排放，高频摄像机捕捉火焰动态。

Numerical simulation

数值模拟

基于中心水平截面温度场（图4a）定义火焰长度，采用Realizable k-ε模型模拟湍流，EDC模型处理燃烧化学反应，验证表明模拟与实验误差<8%。

Results and discussion

结果与讨论

• 微混火焰温度场更集中（图5），刚度指数比扩散结构高37%

• 1.4 kW负荷时水侧吸热占比：扩散结构50% vs 微混结构43%

• NO_x排放峰值出现在α=1.2时（微混75 ppm），扩散结构仅10 ppm

• 水温升高60K时，两种模式NO_x变化<5%，但NO/NO₂转化率差异显著

Conclusions

结论

1. 微混火焰具有更优的刚度特性，但NO_x排放比扩散结构高6倍

2. 扩散结构传热效率更高，水侧吸热多7个百分点

3. NO在NO_x中占比：微混53%显著高于扩散22%

4. 高α条件下NO向NO₂转化现象显著