多元素部分预混氢火焰中火焰元素的三维结构特征

《Journal of the Energy Institute》：Three-dimensional structure characteristics of flame elements in a multi-element partially premixed hydrogen flame

　　周毅|刘国燕|普思旭|朱品品|徐传龙
中国东南大学能源与环境学院，电力生成控制与安全国家工程研究中心，南京

摘要
多元素氢火焰中局部火焰结构的变化对整体火焰特性有着关键影响，进而影响氢燃气轮机的运行。考虑到多元素火焰固有的空间分布特性，优化多喷嘴阵列燃烧器需要深入理解三维氢火焰元素的特征。本研究利用由多个紫外相机组成的化学发光系统的计算机断层扫描技术，研究了多元素部分预混氢火焰中火焰元素的三维结构，并阐明了运行条件对火焰结构的影响。随着当量比的降低，不同火焰区域的火焰元素结构发生变化，整体火焰形态从多个“锥形”火焰转变为“心形”火焰。火焰脱离特性在不同火焰区域表现出差异性，存在固定、部分脱离和完全脱离的状态，导致火焰长度随当量比的变化而呈现不同趋势。火焰元素的形态主要为管状结构，其特征可以通过两个无量纲量——“平面度”和“丝状度”来描述，这两个量是由闵可夫斯基泛函导出的。平面度的狭窄分布表明提取出的结构具有近乎圆形的截面；而丝状度的广泛分布则意味着提取出的结构长度和管状结构直径可能沿其长度方向存在较大变化。基于线性混合效应模型的统计分析表明，在大多数运行条件下，不同当量比或不同体积流速下火焰结构存在显著差异。尽管火焰区域的主效应在统计上不显著，但交互作用（当量比×火焰区域×体积流速）通过影响火焰脱离特性，进一步影响反应区长度，从而导致某些运行条件下不同火焰区域之间的火焰结构存在显著差异。

引言
纯氢燃烧技术的持续发展有望显著提高燃气轮机的燃料灵活性，并在加速向无碳发电的转型中发挥关键作用。在燃烧技术方面，从传统碳氢化合物燃料向纯氢的转变面临重大挑战[1][2]。与甲烷相比，氢的绝热火焰温度更高，这导致热NOx排放量大幅增加[3]。此外，氢的高反应性和层流火焰速度显著增加了回火的风险。与碳氢化合物火焰不同，即使在高体积流速下，氢火焰也更容易发生边界层回火和核心回火[4]。此外，吹熄是定义氢燃烧器运行范围的另一个关键稳定性限制。由于氢的高反应性和更宽的易燃性范围，氢对吹熄的抵抗力更强。例如，氢的高层流火焰速度使得火焰能够在局部熄灭前承受更高的湍流应变率[5]。在喷射和旋流稳定配置中，吹熄过程通常由火焰脱离开始，火焰从燃烧器边缘脱离并在下游进一步稳定[6][7]。但在高湍流应变下，火焰仍可能受到复杂的近吹熄动力学和局部熄灭的影响。最近的多喷嘴阵列燃烧器的发展突显了具有小特征喷嘴尺寸的多火焰配置在氢燃烧中的潜力[8][9][10][11][12][13][14][15]。多喷嘴阵列燃烧器通过多个小喷嘴排列产生微型化和离散化的火焰，从而提高火焰稳定性并减少NOx排放[16][17]。然而，氢火焰结构容易受到喷嘴参数、运行条件和火焰间相互作用的影响，导致火焰结构的复杂转变以及与传统燃气轮机中大规模旋流稳定火焰不同的特性[18][19][20]。此外，包括反应区结构、火焰脱离、火焰长度和火焰附着在内的火焰特性已被确认为决定稳定性及不稳定性的关键因素[21][22][23]。高度依赖燃料的火焰长度是不稳定模式转变的根本原因，而反应区的形态对燃烧室设计有显著影响[24][25][26]。因此，全面理解多元素部分预混氢火焰的结构对于进一步优化纯氢燃烧技术至关重要。

最近对多元素火焰特性的研究取得了一些重要发现。刘等人发现，在贫燃条件下，由于外部回流区和燃料分布不均，会发生局部火焰脱离的燃烧不稳定[9]。Yoo等人指出，添加氢可以提高多元素甲烷火焰的稳定性，从而缩短火焰长度并提高火焰温度，形成更密集的火焰阵列[13]。这种在富氢火焰中的密集配置凸显了与传统旋流碳氢化合物火焰相比的火焰间相互作用的根本差异。在甲烷旋流阵列中，较大的熄灭距离常常导致火焰合并，且火焰相互作用会受到相邻旋流方向的影响[27][28]。相比之下，氢火焰的显著较小熄灭距离使得即使在高密度排列下，单个火焰元素也能保持离散和紧凑[13][19]。虽然两种系统都利用热协同作用来扩展稳定性极限，但氢火焰对相互作用引起的应变表现出独特的结构响应。例如，Kim等人观察到多元素氢火焰的内焰通常附着在喷嘴出口，而外焰则显著上升并向内收敛。还发现，随着绝热火焰温度的降低，外焰在内焰之前熄灭[29]。这种向内收敛和非均匀的脱离行为表明，氢火焰阵列中的压力场和卷吸效应与碳氢化合物旋流火焰中典型的中心回流区主导的稳定性有显著不同。此外，刘等人发现喷嘴配置间距会导致火焰元素的合并或分离，从而显著影响整体火焰结构[30]。Abdelhafez等人表明，增加喷嘴出口直径和喷嘴配置间距会不利地影响火焰稳定性，最终导致外焰熄灭的概率显著增加[31]。然而，Funke等人发现，火焰元素的合并通过增加NOx前体在高温反应区的停留时间，显著促进了NOx的生成[8]。此外，Kang等人观察到，在密集阵列中，由显著火焰相互作用引起的横向运动会影响自激多元素氢火焰，导致火焰的挤压和湮灭，进而引发整个反应区的宏观非对称振荡和更复杂的火焰结构[29][32]。以往的研究已经广泛探讨了整体二维火焰结构特性。然而，由于单个喷嘴的空间位置分布不同，火焰元素受到火焰元素间相互作用和 circumferential 以及 radial 方向热交换的不同影响，从而形成三维（3D）非对称的火焰元素结构，导致火焰元素之间的差异。目前，多元素氢火焰中单个火焰元素的3D结构特性尚不清楚。

通过分形理论和闵可夫斯基泛函[33][34][35]，火焰结构的定量表征取得了进展。分形分析更关注火焰皱褶的最小长度尺度，并为湍流燃烧建模提供燃烧速度[36][37][38]。而闵可夫斯基泛函则侧重于量化各种火焰形态，旨在以最小的主观性来表征火焰的整体结构（包括特征厚度、宽度和长度）。最近，闵可夫斯基泛函和形状检测器被用于分析湍流和火焰反应区，包括均匀各向同性湍流、MILD燃烧、预混平面火焰、双火焰和球形火焰[35][39][40][41][42]。Swaminathan等人基于DNS数据和闵可夫斯基泛函对反应区形态进行了详细分析。在预混燃烧情况下，观察到的主要结构为片状；而在MILD情况下，最可能的形态为煎饼状[39]。Minamoto等人利用基于直接数值模拟（DNS）的氢湍流预混平面火焰研究湍流对火焰结构的影响。研究表明，湍流对火焰形态的集体效应与Damk?hler数密切相关，而与Karlovitz数无关[40]。Shehab等人使用闵可夫斯基泛函量化了从DNS数据集得到的球形传播预混湍流氢-空气火焰中强烈反应区的形态。尽管结果包括“管状”、“煎饼状”和“团块状”等多种火焰形状，但在传播过程中各火焰的维度没有显著差异[42]。Tyagi等人进行了双燃烧器实验，使用OH-PLIF获取火焰前沿，并利用闵可夫斯基泛函量化了火焰间相互作用的二维拓扑结构。相互作用结构与主应变率之间的方向一致性表明，压缩流体力在相互作用中起主导作用[41]。综上所述，使用闵可夫斯基泛函分析多元素氢火焰的结构特性非常重要，尤其是在探讨火焰元素的3D结构方面，这一点在实验中很少被讨论。此外，进一步评估运行参数对3D结构的影响也是必要的，这有助于燃烧器和燃烧技术的发展。

光学诊断技术的进步显著提升了人们对湍流火焰结构的理解。平面激光诱导荧光（PLIF）因其高空间分辨率而广泛用于捕捉细微的火焰前沿皱褶[6][43][44]。为了解决非对称湍流火焰的固有三维性，开发了扫描PLIF和体积LIF等新技术，将平面测量扩展到三维空间[45][46]。此外，为了解决断层扫描方法的分辨率挑战，还开发了双平面方法来解析旋流火焰中的结构和动态[47]。然而，基于激光的3D方法通常需要复杂的激光和光学布置。相比之下，化学发光的计算机断层扫描（CTC）技术提供了一种非侵入性的、被动的方法[48][49]。通过从多个角度获取2D投影并采用先进的反演算法，CTC能够精确重建3D化学发光辐射场。对于存在复杂火焰间相互作用和空间屏蔽效应的多元素配置，CTC提供了全面的3D形态表征。因此，它是表征密集喷嘴阵列中整体形态和稳定机制的强大而有效的工具。为了更好地理解多元素火焰中每个火焰元素的火焰结构特性，本研究重点分析了在不同当量比和体积流速下多喷嘴阵列氢燃烧器中火焰元素的3D结构特性和变异性。使用由多个紫外相机组成的CTC系统重建了多元素火焰的时平均全局3D火焰结构。通过图像处理技术描述了每个火焰元素的火焰长度、脱离高度和主要反应区结构，为形态统计和火焰结构评估提供了基础。此外，利用闵可夫斯基泛函和形状检测器方便了在不同运行条件下每个火焰元素主要反应区结构的定量分析。最后，引入了线性混合效应模型来评估运行条件对火焰结构和火焰元素间差异的影响。这种测量和评估策略为多元素氢火焰结构的现有知识体系做出了补充，可能有助于验证理论模型和数值模拟。

**多元素喷嘴阵列燃烧器**
如图1(a)所示，氢燃烧器采用内径为84毫米、出口平面长度为100毫米的圆柱形石英玻璃作为壁面约束。图1(b)展示了多元素喷嘴阵列的配置，该阵列包含24个等间距分布的喷嘴（间距d = 8毫米），这些喷嘴被划分为四个区域，以研究不同喷嘴位置处的火焰元素特性。区域划分包括四个最内侧的喷嘴（区域A）、八个中间喷嘴。通过对每种操作条件下的300组重建结果进行时间平均处理，对火焰形态进行了定量表征。评估了两个基本的火焰特性参数：火焰长度LF和火焰升离高度HL，如图4所定义。火焰长度LF是指火焰尖端与底部区域之间的轴向距离。火焰尖端是通过基于百分比的阈值方法来识别的。

图6描述了在不同当量比和体积速度下，多元素氢火焰的时间平均3D OH*化学发光分布和火焰元素COM。在微混合喷嘴上方（z = 0）共重建了二十四个火焰元素。当φ = 0.57时，火焰元素固定不动，呈现出明显的“锥形”火焰前沿。在这种条件下（φ = 0.48，vb = 25 m/s），外部火焰最初显示出向中心弯曲的趋势。

结论

本研究系统地研究了多元素部分预混氢火焰中火焰元素的3D结构特性，特别关注当量比、体积速度和火焰区域对反应区形态的影响。首先，使用由八个紫外相机组成的OH*化学发光成像系统来表征3D火焰结构。在不同操作条件下的时间平均3D火焰显示了CRedi的变化。

作者贡献声明

周毅：撰写——原始草案、方法论、形式分析、数据管理、概念化。
刘国彦：可视化、验证、研究、数据管理。
蒲思旭：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。
朱品品：撰写——审稿与编辑、监督、研究。
徐传龙：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理和资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52376158）和国家重点研发计划（项目编号2023YFB4102904）的支持。