受臭氧影响的氢气-空气自燃火焰：在临界温度附近的转变现象

《Combustion and Flame》：Ozone-affected auto-ignitive hydrogen-air flames: Transitions near critical temperatures

本研究探究臭氧添加对自Ignition辅助氢空气火焰的影响，发现临界温度Tc决定反应路径：低于Tc时分为臭氧分解和高温氢氧反应两阶段，高于Tc时合并，点火延迟减少百倍。1D与0D模拟对比表明传输效应增强自由基积累和臭氧消耗，空间耦合提升燃烧效率，并验证了基于Damb?cker数的标定定律。

　　

李晨宇|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

本研究详细探讨了臭氧添加对氢-空气火焰自燃过程的影响，包括其动力学和传输特性。对于均匀燃烧而言，发现了一个关键温度（$T_c$），该温度显著影响了反应路径和点火特性。研究表明，在该温度以下，系统在自燃过程中表现出明显的两阶段反应过程：首先是臭氧分解，随后是高温下的氢-氧反应；而超过该温度后，这两个阶段合并，导致点火延迟时间显著缩短——在接近该温度的微小温差下，点火延迟时间可减少百倍。对于能够自燃的火焰，其火焰速度在临界温度附近也会发生类似的变化，此时基于达姆科勒数（Damk?hler number）的标度律在临界温度以上和以下两种情况下都适用。对零维（0D）和一维（1D）模拟的比较分析显示，关键物种（如H₂、H、HO₂和O₃）的演变存在显著差异：在1D火焰中，传输过程使得自由基的积累更加高效，臭氧的消耗也更加迅速。此外，当温度超过临界值时，H₂扩散区域与O₃消耗区域的空间耦合增强了整体燃烧过程。研究还揭示了压力升高对臭氧辅助氢燃烧中自由基积累、反应路径和火焰动态的重要影响。

章节摘录

创新性与重要性

本研究揭示了臭氧辅助氢-空气自燃过程中的一个关键温度阈值，低于该温度时，反应路径会发生显著变化：系统表现出明显的两阶段点火过程（臭氧分解后是高温反应）；而超过该温度后，这两个阶段合并，使得点火延迟时间最多可减少100倍。研究创新性地展示了1D火焰中H₂扩散区域与O₃消耗区域之间的空间耦合现象，这一现象在0D模型中并不存在。

方法论

我们研究了均匀零维（0D）自燃和一维（1D）自由传播的层流预混火焰。0D自燃过程使用Cantera [27]工具包进行计算，该工具包可用于解决与化学动力学、热力学和传输过程相关的问题。物种和能量的控制方程如下：

$\rho \frac{dT}{dt}=\sum _{}^{}k=1\underset{\dot{{\omega }_k}}{\overset{W_k}{u_k}}$$\rho c_{}dTdt=\sum _{}^{}k=1<mi>K<msub><mi>u</mi><mi>k</mi></msub><mover><mrow><msub><mi>\omega </mi><mi>k</mi></msub></mrow></mover></mi>$$\rho c_{}dTdt=?\sum _{}^{}k=1<mi>K<msub><mi>u</mi><mi>k</mi></msub><mover><mrow><msub><mi>\omega </mi><mi>k</mi></msub></mrow></mover></mi>$$\rho$$K$$T$