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本研究通过超临界水稀释火焰生成 manifold 模型优化水冷反应器几何参数，采用单因素分析法分析燃料喷嘴内径、 recess 深度、冷却水层厚度及喷射阶段数的影响，结合敏感性引导坐标搜索法优化配置，结果表明优化后氢转化效率提升，关键部件温度显著降低，但材料消耗增加70%以上，安全性和结构鲁棒性增强。
Mingjing Fan|Xiaoge Zhang|Yu Zhang|Haoze Wang|Juyuan Mei|Hao Wang|Youjun Lu
中国陕西省西安市西安交通大学多相流在动力工程国家重点实验室，邮编710049
摘要
本文采用超临界水稀释火焰束生成歧管（SCWD-FGM）模型对用于水热燃烧的壁冷反应器（WCR）进行了几何优化建模。通过单因素法（OFAT）系统分析了四个关键几何参数对反应器性能的影响。结果表明：增加燃料喷嘴内径会减弱燃料-氧化剂的混合并降低反应强度，但能增强壁面冷却效果；增加燃料喷嘴的凹陷深度可提高火焰稳定性，但会升高氧化剂喷嘴内壁温度；增加冷却水层厚度对燃烧影响不大，但能增强壁面保护作用；增加额外的冷却水喷射阶段会降低下游壁面温度，同时略微升高上游温度。基于这些研究结果，采用基于灵敏度的坐标搜索方法对基线配置进行了优化。优化后的配置使99%氢气转化所需的轴向距离增加了0.2毫米，同时将氧化剂喷嘴内壁温度降低了536°C，反应器内壁温度降低了4°C。虽然这种改进导致材料消耗增加了70%以上，但它降低了关键部件的峰值温度，并扩大了可用结构材料的范围，从而显著提高了超临界条件下的运行安全性和结构可靠性。
引言
水热燃烧是一种新兴的能量转换技术，近年来受到了广泛关注。该技术主要涉及在超临界水环境（温度T > 374°C，压力p > 22.1 MPa）中快速氧化有机化合物，并伴随可见火焰的产生[1]，[2]。这一现象最早由Franck在20世纪80年代提出[3]，后来被用于超临界水氧化（SCWO）系统中作为内部热源，以增强有机废水的解毒效果[4]，[5]。由于水热燃烧具有高效能量释放和原位污染物控制的双重优势，它在重油回收[6]、水热爆裂钻井[7]和清洁煤转化[8]等领域也显示出巨大潜力。
鉴于水热燃烧的极端恶劣运行条件，反应器设计成为其技术发展的关键挑战。现有反应器主要分为两类：半连续式和连续式系统。半连续式反应器最初用于验证水热火焰的存在并研究其基本燃烧特性[9]，[10]；而能够满足连续运行工业需求的连续式反应器逐渐成为近期研究的主要焦点[11]，[12]。苏黎世联邦理工学院Rudolf von Rohr领导的团队[13]，[14]开发了一系列配备蓝宝石窗口的壁冷水热燃烧器（WCHB），用于研究自燃特性和火焰结构。这类反应器现已发展到第四代，并正在评估其在水热爆裂钻井中的潜在应用[15]。为了解决SCWO过程中的腐蚀和盐沉积问题，他们还开发了一种带有同轴喷嘴的透壁反应器（TWR），并研究了其在水热火焰条件下的运行行为[16]，[17]。同时，Bermejo领导的团队[18]，[19]证明预混燃烧可以显著提高火焰稳定性，并设计了配备不同类型混合器的透壁反应器。在我们之前的工作中[20]，开发了一种新型壁冷反应器（WCR），用于研究超临界水中氢-氧反应机制的转变边界。理解这一转变对于基于煤超临界水气化的发电系统中控制氢氧化过程至关重要[21]。然而，这种反应器在运行条件下的火焰稳定性范围较窄，壁温过高，限制了其在复杂工程应用中的适用性。因此，对反应器进行几何优化对于其放大和实际应用至关重要。
数值模拟已成为水热燃烧反应器设计和优化的重要方法，因为它能够直观地揭示复杂的流动和反应机制，同时成本低且风险小[22]，[23]，[24]。Zhang等人[25]开发了TWR的数值模型，并提出以截面热负荷作为新的设计标准。Xu等人[26]，[27]数值研究了包括供水层数量、孔隙率、内径和长度在内的几何参数对TWR水膜特性的影响。Wang等人[28]进一步研究了喷嘴材料特性和几何参数对TWR内混合行为和火焰结构的影响。这些研究为TWR的设计和优化提供了宝贵的方法论指导[29]。然而，关于WCR的几何优化研究几乎不存在，特别是针对我们之前实验中使用的反应器[20]。因此，这类反应器的几何设计缺乏理论和方法论指导，限制了其工程放大和实际应用的潜力。
在本研究中，使用自主研发的超临界水稀释火焰束生成歧管（SCWD-FGM）模型[30]对WCR进行了数值模拟，系统分析了四个关键几何参数（燃料喷嘴内径、燃料喷嘴凹陷深度、冷却水层厚度和冷却水喷射阶段数量）对反应器运行特性的影响。随后采用基于灵敏度的坐标搜索方法对反应器配置进行了优化，以最小化目标函数。最后，将优化后的配置与基线配置进行了比较，以评估性能改进情况。
目标函数
在基于煤超临界水气化的发电系统中，所有产生的氢气都在超临界水条件下的氧化反应器中燃烧，释放的热量驱动系统运行并最终产生电能[31]，[32]。壁冷反应器的几何设计需满足三个工程目标：(i) 高转化效率，以99%氢气转化长度L99%H2(x)来量化，该长度应尽可能短；(ii) 喷嘴...
燃料喷嘴内径的影响
在燃料和氧化剂质量流量恒定的情况下，燃料喷嘴内径的变化会改变喷射出口速度，从而影响流场和反应特性。图2比较了不同燃料喷嘴直径下的中心线温度、中心线氢质量分数、氧化剂喷嘴内壁温度和反应器内壁温度。随着燃料喷嘴直径的增加，中心线峰值温度降低，完全氧化氢的位置也发生变化...
结论
本研究通过数值方法研究了之前实验中使用的壁冷反应器（WCR），并采用单因素法（OFAT）系统分析了四个关键几何参数对反应器性能的影响。结果表明：增加燃料喷嘴内径会减弱燃料-氧化剂的混合并降低反应强度，但能增强壁面冷却效果；增加燃料喷嘴的凹陷深度可提高火焰稳定性，但会升高氧化剂喷嘴内壁温度...
作者贡献声明
Yu Zhang： 数据可视化、数据整理。Xiaoge Zhang： 数据验证、数据整理。Mingjing Fan： 原稿撰写、可视化、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。Youjun Lu： 项目监督、资金筹集。Hao Wang： 文稿审阅与编辑、项目管理。Juyuan Mei： 软件开发、资源协调。Haoze Wang： 数据验证、软件应用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52488201和52406193）以及陕西省科技创新能力支持计划的项目（项目编号2025RS-CXTD-014）的支持。
