利用臭氧分层促进氢气/空气火焰的传播

《Combustion and Flame》：Facilitated hydrogen/air flame propagation using ozone stratification

臭氧分层增强氢气/空气火焰传播及持续效应研究。通过数值模拟和化学动力学分析发现，臭氧分层通过释放活性氧原子和选择性扩散机制显著提高火焰速度，并在臭氧层外仍维持快速传播（sustaining effect），其效果与燃料贫富比呈相反依赖性，当空燃比1.5时效应转折。研究揭示了臭氧在氢能燃烧中的分层控制潜力。

　　

李晨宇|李海月|罗忠凯|梁文凯

清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心，北京100084，中国

摘要

臭氧（O₃）作为一种强氧化剂，通过改变化学反应动力学来影响和控制火焰传播速度。在本研究中，我们探讨了在氧化剂侧使用成分分层的臭氧来增强氢（H₂）/空气混合物的火焰。其中，氢的体积分数（$\backslash phi$）为0.6–4.0，臭氧在氧化剂中的比例（\alpha_{O_3}）为0–10%。通过数值模拟和动力学分析，系统地研究了火焰的详细动态和结构。结果表明，臭氧分层效应具有持续性，即使火焰离开臭氧分层区域进入无臭氧区域，仍能保持快速传播。这种持续性效应对于贫燃和富燃条件下的火焰表现不同，两者之间的交叉点大约在当量比（\phi）为1.5时。此外，臭氧对火焰传播的影响主要通过化学效应而非热效应实现。臭氧与H₂自由基的反应对火焰增强和持续性效应都起着关键作用。臭氧的优先扩散作用在贫燃和富燃条件下都有助于火焰传播。本研究为通过臭氧分层优化氢燃烧应用提供了见解。

引言

燃烧控制在实现碳零排放能源利用中起着关键作用[[1], [2], [3]]。在各种控制策略中，臭氧因其强氧化性质而脱颖而出，这提高了其在调节燃烧过程中的有效性。此外，先前的研究还探讨了在RCCI发动机中使用异辛烷和柴油燃料时臭氧注入的影响。研究发现，增加臭氧浓度可以增强燃料氧化，从而减少未燃烧碳氢化合物的排放[4]。因此，臭氧不仅有助于减轻环境污染，还推动了低碳、环境可持续燃烧技术的发展。这主要是由于臭氧分解反应O₃(+M)=O₂+O(+M)释放出的氧原子[5,6]，从而增强了点火和火焰传播。此外，与各种燃烧现象的瞬态性质相比，臭氧的寿命相对较长[7]，使得燃烧动态能够被精确管理和控制。臭氧在燃烧相关现象中的作用已得到广泛研究，包括点火和爆炸[[8], [9], [10], [11]]、火焰传播[[12], [13], [14]]、爆震起始[15,16]、可燃性极限[17]以及火焰稳定[18,19]]。

在实际的臭氧辅助燃烧过程中，臭氧浓度可能分布不均匀。研究表明，温度/浓度的不均匀性可以有利地影响多种燃烧现象，如火焰传播、自燃和燃烧稳定性[[20], [21], [22], [23], [24]]。具体来说，采用了两种燃料分层方法：第一种是固定燃料和氧化剂类型的当量比分层。例如，Shi等人[[25], [26], [27]]研究了不同燃料（H₂, CH₄, C₃H₈, n-C₇H₁₆）的层流火焰的当量比分层效应，发现火焰速度在富燃到贫燃的分层条件下会增加。随后，Wang等人[28]研究了二甲醚（DME）/空气冷却火焰的当量比分层效应，而Inanc等人[29]分析了当量比的正弦扰动分层效应，发现火焰进入贫燃/富燃混合物时，消耗速度和火焰厚度会出现滞后现象。

第二种方法是在固定当量比下使用两种或更多具有不同反应性的燃料。Desai等人[30]研究了反应性分层对DME/甲烷/空气混合物自燃和火焰动态的影响，发现总体传播速度会根据分层时间和混合比例的不同模式而变化。Liang等人[31]发现，从高反应性燃料氢到低反应性燃料氨的分层可以显著提高火焰速度。Li等人[32]在贫燃条件下发现了分层氨/氢混合物中的四种不同点火模式。

需要注意的是，这些早期研究仅关注了燃料浓度分层，而使用强氧化剂（如臭氧）的氧化剂分层作用尚未得到充分探索。与依赖不同当量比或多燃料混合的燃料分层方法（通常受到复杂喷射和储存系统的限制[33]相比，这里提出的氧化剂分层方法可以独立调节局部化学反应性。通过将高反应性物种（如臭氧）引入氧化剂流中，分层可以在不改变局部当量比的情况下影响反应动力学。如上所述，臭氧分解释放的O原子直接加速了燃料氧化路径，并显著降低了自燃温度。这使得在实际燃烧器中典型的非均匀浓度场内能够实现点火和火焰稳定性的空间控制。此外，臭氧分层策略利用了氧气放电现场生成臭氧的方法，且臭氧的寿命远长于大多数燃烧器的时间尺度[7]。因此，臭氧分层代表了一种灵活、响应迅速且有巨大工程潜力的主动燃烧控制技术。本研究旨在探讨臭氧分层如何影响最基本和最清洁的燃料——氢的火焰传播，并提供如何利用臭氧分层进行火焰增强和控制的指导。

方法论

臭氧分层火焰的传播通过A-SURF代码进行模拟，该代码结合了CHEMKIN软件包[34]来计算传输和热力学性质以及反应速率。关于控制方程和数值方法的详细描述可以在[[35], [36], [37]]中找到。A-SURF已成功应用于准确求解点火、火焰传播、自燃和爆震[15,28,[35], [36], [37]]问题。我们设置了基础网格

火焰持续性现象

首先我们展示了火焰传播特性。图2显示了不同臭氧添加量下火焰位置和速度的变化。其中，火焰位置（\math>x_f）定义为最大热释放率的位置；火焰速度（\math>S_f）定义为火焰位置的时间导数，即燃烧侧的火焰速度。可以看出，随着氧化剂中臭氧摩尔分数（\alpha_{O_3}）的增加，\math>S_f也随之增加。最初，火焰在臭氧浓度较高时传播更快

详细火焰结构

为了进一步了解臭氧分层对火焰传播特性的物理和化学机制，我们分析了详细的热结构和化学结构。图5(a)显示，臭氧的添加使得火焰前沿后面的温度（约2403 K）升高，这有助于火焰传播。然而，考虑到臭氧分层情况下（约2403 K）与无臭氧情况下（约2393 K）的温度差异

优先扩散的作用

除了热效应和化学效应外，不同物种的优先扩散效应也可能对臭氧分层火焰产生影响。例如，Li等人[10]观察到，在添加臭氧的氢-氧火焰中，臭氧和氢的扩散层分别比氧气、水的扩散层更厚更薄。在本节中，我们探讨了优先扩散的作用

结论

本研究提出了在预混氢-空气混合物中通过臭氧分层来增强火焰的策略，以高效利用氢作为可再生能源。在不同条件下分析了具有臭氧分层效应的详细火焰结构。结论如下：

臭氧分层使得火焰在向无臭氧区域传播时具有持续性。从机制上讲，这种持续性效应是由于

创新性和意义声明

本研究的创新之处在于研究了臭氧分层对氢-空气火焰传播的影响。除了观察到由于臭氧添加导致火焰速度显著增加外，还发现火焰穿过臭氧分层层后能够持续传播。对详细火焰结构和反应路径的全面分析揭示了其背后的机制，揭示了这些变化依赖性的本质

CRediT作者贡献声明

李晨宇：撰写——初稿、正式分析、数据整理。李海月：撰写——审稿与编辑。罗忠凯：撰写——审稿与编辑、监督。梁文凯：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、资源管理、项目规划、方法论研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。