颗粒尺度研究：随机填充床中预混甲烷/空气燃烧的对流-辐射传热与火焰前锋形态

《Case Studies in Thermal Engineering》：Pore-scale study on convection-radiation heat transfer and flame front morphology of premixed methane/air combustion in randomly packed bed

为深入揭示多孔介质燃烧中复杂的孔尺度对流-辐射耦合传热机制与火焰形态演化规律，本研究通过孔尺度数值模拟，探究了随机堆积氧化铝（Al2O3）球床内预混甲烷-空气的燃烧特性。研究发现，辐射通过强化上游热再循环显著增强了火焰稳定性，提高了峰值热通量。该研究为高效多孔燃烧器的设计与优化提供了重要的机制性指导。

　　

在追求高效、清洁燃烧技术的征途上，多孔介质燃烧（Porous Media Combustion, PMC）如同一颗璀璨的明星，因其卓越的热效率、低污染物排放和出色的火焰稳定性，在微动力系统、低热值燃料利用和清洁能源转换等领域备受瞩目。然而，这颗明星的光芒之下，依然笼罩着迷雾：在随机堆积的复杂孔隙结构中，对流与辐射这两种关键传热模式是如何相互耦合，协同影响火焰的形态与稳定性的？传统的研究方法，如宏观体积平均法（Volume-Averaged Method），往往“只见森林，不见树木”，忽略了孔隙结构细节，难以捕捉局部热非平衡（Local Thermal Non-Equilibrium, LTNE）、火焰前锋扭曲等微观现象。而完全解析真实三维孔隙结构的模拟计算成本又高得令人望而却步。这构成了当前研究的一个关键瓶颈：如何在保证物理真实性的同时，实现高效的计算模拟，从而精准揭示孔尺度的传热与燃烧机制？正是为了解决这一难题，来自安徽建筑大学的研究团队开展了一项聚焦于随机填充床内预混甲烷-空气燃烧的孔尺度数值模拟研究。

为了回答上述科学问题，研究人员巧妙设计了一套高效的研究方案。他们首先采用离散元法（Discrete Element Method, DEM）生成了一个由直径5毫米Al₂O₃球体随机堆积的圆柱床几何模型。为了平衡计算精度与成本，他们通过系统的子域缩放分析，确定了一个对称子区域（模型尺寸N=3，即区域直径为3倍颗粒直径）作为最优计算域。在此几何基础上，研究运用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件ANSYS Fluent，采用了k-ε湍流模型、基于涡耗散概念（Eddy Dissipation Concept, EDC）的燃烧化学模型以及离散坐标法（Discrete Ordinates, DO）辐射模型。研究重点考察了三个代表性孔雷诺数（Re_p=250, 350, 450）下，考虑与不考虑辐射时，床内的流动、温度分布、火焰形态及热传递特性。

4.1. 填充床内的流动特性

研究表明，流动呈现出典型的通道化特征，高速流优先沿着相互连通的大孔隙路径发展。随着Re_p增加，对流输运增强，流场在空间上变得更平滑、连通性更好。辐射的引入虽然不改变整体的流动拓扑结构，但会因局部加热导致气体粘度增加，从而轻微抑制高速流结构。

4.2. 填充床内的孔尺度速度分布

轴向和径向的速度分布均与孔隙度分布表现出强相关性，高速区总是对应于局部高孔隙度区域。燃烧引起的热膨胀在孔隙约束下导致反应区下游出现明显的轴向流动加速。高Re_p增强了整体流速，并使轴向速度波动幅度增大，与孔隙度波动的耦合更强。

4.3. 填充床内的孔尺度温度分布

在不考虑辐射的情况下，化学放热高度局域化，导致局部温度峰值（T_max= 2082.8K）很高。辐射的引入通过固体基质的发射、吸收和再辐射重新分配热能，抑制了极端局部温度，同时扩展了高温区域的空間范围，并形成了明显的上游高温区，表明辐射促进了有效的热再循环。在所有条件下，流体温度始终高于固体温度，证实了局部热非平衡的存在。辐射增强了上游预热，使两相温差减小，但在填充床下游末端，平均温度比非辐射情况低（分别降低了8.1%， 6.72%， 4.77%）。随着Re_p增加，温度峰值向下游移动且幅度降低。

4.4. 填充床内的高温等值面

辐射显著增加了近峰值温度区（1900-2100 K）的总体积，并使其轴向范围向上游扩展。随着Re_p增加，高温等值面的形心逐渐向下游迁移，且其形态变得更加破碎和不规则。

4.5. 填充床内火焰前锋的特性

火焰前锋主要出现在中下游区域，并表现出明显的三维不均匀性。孔隙度变化主导了火焰变形：高孔隙度区有利于形成连续的高反应性区域，而低孔隙度区则导致火焰分叉或破碎。随着Re_p增加，火焰前锋向下游移动，并从紧凑形态演变为更平滑、弥散的形态。辐射的加入通过强化上游预热，使反应峰位置提前（例如在Re_p=350时，峰值反应强度位置从Z=45 mm提前到Z=40 mm），并使火焰结构变得更连续、均匀。p=350: (a) no radiation, (b) DO radiation."> 反应热源的形态也随Re_p增加而向下游移动并变得更细长，辐射则使上游温度升高并扩大了有效反应体积。

4.6. 填充床内热再循环的特性

总热通量随Re_p增加而单调增加，而热释放率（Heat Release Rate, HRR）则呈现非单调趋势，在Re_p=350时达到最大，在Re_p=450时下降。辐射的引入使总热通量在Re_p=250和350时分别增强了89.9%和59.3%，同时使HRR曲线变得更平滑。轴向净辐射热通量分布呈现从负值（上游吸收）到正值（下游发射）的转变，这是辐射热再循环的直接标志。净辐射热通量的大小随Re_p增加而显著增加，从Re_p=250时的1589.85 W/m²增至450时的2578.09 W/m²。

本研究通过建立高效的孔尺度数值框架，系统揭示了随机填充床内预混燃烧的对流-辐射热再循环机制与火焰形态演化规律。主要结论可归纳为三个方面：首先，随着孔雷诺数（Re_p）从250增至450，对流增强导致燃烧区向下游移动，高温区扩大；辐射则通过强化上游预热和减小热梯度发挥双重调节作用，具体表现为使峰值气体温度降低，并轻微降低峰值流速。其次，火焰前锋形态受对流输运与孔尺度热再循环竞争的支配。高Re_p使火焰向下游迁移并变得更破碎；而辐射通过强化固体基质的热再循环，稳定火焰、提前点火，从而产生更连续均匀的火焰结构。最后，对流-辐射耦合从根本上调控着多孔燃烧系统的热性能。增强的对流提高了总热通量和辐射热通量，但热释放率（HRR）在过高流速下因停留时间不足而呈现非单调下降。这表明，辐射提高了热效率和燃烧均匀性，而过度的对流则会限制燃烧完全性。

这项研究的意义在于，它突破了传统体积平均方法的局限，首次在保证计算效率的前提下，从孔尺度清晰刻画了随机填充床内对流与辐射的协同作用机制。研究定量揭示了辐射在促进热再循环、稳定火焰、优化温度场分布方面的关键角色，为设计高性能、高稳定性的多孔介质燃烧器（如工业加热器、辐射燃烧器）提供了直接的物理洞察和理论指导。该成果已发表在工程热物理领域知名期刊《Case Studies in Thermal Engineering》上，为推进高效清洁燃烧技术的发展贡献了重要的科学依据。