彭 祝, 張哲巔, 雷福林

(1. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院, 北京 100049)

燃用綠氫的燃?xì)廨啓C(jī)是能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[1],對(duì)于可再生能源的調(diào)峰和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的推進(jìn)作用和意義。由于氫氣和天然氣的物性及燃燒特性存在差異,尤其是氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺忍烊粴飧咭粋€(gè)數(shù)量級(jí),使得氫氣不能采用現(xiàn)有的旋流預(yù)混燃燒實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒,因此必須研發(fā)適用于氫氣的低NOx燃燒方式。近年來(lái)有學(xué)者提出發(fā)展氫氣微混燃燒技術(shù)(MMC)[2],以實(shí)現(xiàn)氫氣的低NOx燃燒。

微混燃燒利用毫米級(jí)的微噴嘴形成小而薄的火焰,化學(xué)反應(yīng)被控制在小區(qū)域內(nèi),減少反應(yīng)基在高溫區(qū)域停留時(shí)間,由此降低NO的生成。

氫氣微混燃燒的燃料與空氣(以下簡(jiǎn)稱燃空)混合均勻性以及湍流火焰的穩(wěn)定性在反應(yīng)過(guò)程中尤為關(guān)鍵。目前的研究多傾向于研究天然氣少量摻氫燃料的適應(yīng)性,但對(duì)于純氫燃料微尺度優(yōu)化混合及低排放燃燒,尚需深入研究。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)大層疊混合杯實(shí)現(xiàn)了純氫燃燒,通過(guò)杯內(nèi)同軸、徑向交叉混合或加入氮?dú)鈴?qiáng)化流動(dòng)摻混,并增強(qiáng)了低速下的抗回火性,降低了NO排放。Weiland等[5]布置緊湊的高速同軸射流,有助于燃料擴(kuò)散,并使燃料在點(diǎn)燃之前實(shí)現(xiàn)預(yù)混效果。Asai等[6]開(kāi)發(fā)出旋流微混燃燒器,發(fā)現(xiàn)管外側(cè)交叉混合方式可有效減少預(yù)混長(zhǎng)度,減少火焰簇重合。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)短的直流道設(shè)計(jì)可降低合成氣在1 650 K下的回火風(fēng)險(xiǎn),但仍有火焰保持,證明較低壓降下獲得較高的預(yù)混速度是微混燃燒的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]表明多孔介質(zhì)管可實(shí)現(xiàn)均勻混合。文獻(xiàn)[12]～文獻(xiàn)[15]通過(guò)數(shù)值結(jié)合試驗(yàn)的方法,采用管外混合模式,基于高速燃料射流實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)交叉混合,理論上避免了回火,但會(huì)面臨燃料射流預(yù)混不均勻的問(wèn)題。

通過(guò)管外混合模式可以避免氫氣在通道內(nèi)回火,但如何實(shí)現(xiàn)安全、快速、均勻的混合是降低NOx排放的關(guān)鍵。由于氫氣的快速反應(yīng)性,燃燒進(jìn)程主要由湍流火焰速度控制,即火焰會(huì)更靠近預(yù)混段根部;摻混不均勻會(huì)直接導(dǎo)致局部高當(dāng)量比燃燒情況,伴隨的局部超溫會(huì)造成NOx生成速率指數(shù)級(jí)上升[16]。筆者通過(guò)研究幾何結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)交叉流動(dòng)混合特性的影響,得出管外均勻微混的可行方法,為微混燃燒器設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 微混燃燒器

以單噴嘴為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)的管外微混燃燒器噴嘴(以下簡(jiǎn)稱微混噴嘴)及燃燒器單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,燃燒器單元由基座和多噴嘴組成。單元基座的基面在Z=0 mm截面位置(Z向?yàn)檩S向,X向?yàn)閺较?X軸經(jīng)過(guò)3個(gè)噴嘴中心),基面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)?；目諝猸h(huán)縫外徑Dexit為10 mm,環(huán)縫內(nèi)徑即噴嘴直徑Dseg為6 mm,中央噴嘴距6個(gè)周向均布噴嘴距離均為20 mm。噴嘴上燃料微孔直徑為DH,間隔為S,定義燃料微孔中心至噴嘴頂端為擴(kuò)散段,距離為混合長(zhǎng)度Lm,燃料微孔中心至基面的距離為射流高度P0。空氣在環(huán)縫中自下往上流動(dòng),充分發(fā)展后與高速噴出的燃料射流垂直撞擊,在擴(kuò)散段混合。

(a) 微混噴嘴 (b) 燃燒器單元

為了研究微混噴嘴的摻混特性,選定流動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)(DH、間隙比Sn、P0、Lm)開(kāi)展研究。Sn定義為:

(1)

燃空動(dòng)量比Rm直接作用于氫氣的射流深度,同樣極大影響混合過(guò)程[17],僅改變氫氣流量就可以調(diào)節(jié)Rm與射流深度,通常將Rm定義為:

(2)

1.2 混合均勻性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

采用混合不均勻度(SMD)[18]引申的參考截面S0混合不均勻度(PSMD)評(píng)估混合均勻程度,PSMD越小說(shuō)明混合效果越良好,下式中將PSMD記作PS。

(3)

定義當(dāng)量比峰值Φp為參考截面S0上最大當(dāng)量比(對(duì)應(yīng)燃料最高濃度位置),Φp越小混合越接近均勻。定義PSMD沿軸向梯度?G,?G模越大說(shuō)明混合越快速。下文將PSMD、Φp、?G3個(gè)參數(shù)作為混合均勻性評(píng)估判據(jù)。

2 算例設(shè)置與驗(yàn)證

2.1 流體域網(wǎng)格、邊界條件及冷熱態(tài)工況設(shè)置

采用ANSYS Fluent商業(yè)軟件開(kāi)展數(shù)值計(jì)算。網(wǎng)格離散采用Fluent Meshing以生成高質(zhì)量的poly-hexcore混合網(wǎng)格。為提高計(jì)算效率,僅在燃空出口后的混合區(qū)、燃燒區(qū)進(jìn)行局部加密,y+<30,近壁區(qū)采用壁面函數(shù)求解,本研究采用雷諾平均高Re模型。

流體域網(wǎng)格分為燃燒器單元網(wǎng)格和單噴嘴網(wǎng)格,燃燒器單元網(wǎng)格用于研究燃空動(dòng)量比對(duì)摻混均勻性的影響及燃空動(dòng)量比的理想值,單噴嘴網(wǎng)格用于研究不同間隙比、射流高度、混合長(zhǎng)度的摻混特性。燃燒器噴嘴工況見(jiàn)表1,其中a～g工況采用燃燒器單元網(wǎng)格,其余工況均用單噴嘴網(wǎng)格; a～k工況中P0=0 mm,Lm=5 mm; a～e工況僅通過(guò)改變?nèi)剂腺|(zhì)量流量,達(dá)到不同燃空動(dòng)量比; h～k工況改變?nèi)剂衔⒖讕缀螀?shù),流量恒定; A～H工況僅改變噴嘴的P0、Lm,流量恒定。2種網(wǎng)格如圖2所示,流體域結(jié)構(gòu)區(qū)別僅在于噴嘴數(shù)量。模擬選取常壓環(huán)境,操作壓力給定0.1 MPa。燃燒器單元左側(cè)為燃空質(zhì)量流量進(jìn)口,空氣溫度為650 K,氫氣溫度為300 K;右側(cè)流體域出口為壓力出口,流體域環(huán)面及其余交界面均設(shè)置為絕熱無(wú)滑移壁面邊界條件。

表1 燃燒器噴嘴工況

(a) 燃燒器單元網(wǎng)格

(b) 單噴嘴網(wǎng)格圖2 流體域網(wǎng)格Fig.2 Grid of fluid domain

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn),確定了改變摻混對(duì)燃燒影響較大的因素,其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括DH、Sn、P0、Lm;流動(dòng)參數(shù)包括主流速度、Rm;參考當(dāng)量比Φ=0.35。

所有工況均開(kāi)展非反應(yīng)態(tài)(冷態(tài))計(jì)算,以模擬流動(dòng)參數(shù)和噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)燃空流動(dòng)、摻混特性的影響,并對(duì)比各工況PSMD;反應(yīng)態(tài)(熱態(tài))僅用于探究h～k工況(不同間隙比)燃空射流臨近狀態(tài)的火焰形態(tài),分析摻混效果對(duì)燃燒的實(shí)際影響。

2.2 計(jì)算模型設(shè)置及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

湍流模型采用雷諾平均k-ε雙方程模型,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,能較好地預(yù)測(cè)圓孔射流高速流動(dòng)特征;燃燒模型采用層流小火焰(FGM)模型,熱態(tài)計(jì)算時(shí)更改反應(yīng)進(jìn)程變量。驗(yàn)證了Cabra等[19]伴流的氫微尺度火焰的實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù),該燃燒器采用湍流穩(wěn)焰和多火焰作用機(jī)制,雷諾數(shù)及氫噴嘴尺度與本文接近。結(jié)果表明混合組分、溫度等與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,準(zhǔn)確再現(xiàn)了火焰前緣厚度與火焰錨定現(xiàn)象[20],驗(yàn)證了FGM模型計(jì)算氫氣微混火焰反應(yīng)以及預(yù)測(cè)回火的準(zhǔn)確性。選取壓力基求解器,并用SIMPLEC算法耦合求解流體控制方程,適應(yīng)局部可壓,離散格式均為二階迎風(fēng)格式;松弛因子設(shè)置為0.6,殘差項(xiàng)設(shè)置為1×10-3,能量殘差為1×10-6,當(dāng)監(jiān)控值穩(wěn)定500步時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

圖3 燃燒器單元網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence verification of burner unit

3 結(jié)果及分析

3.1 燃空動(dòng)量比Rm對(duì)摻混均勻性的影響

動(dòng)量比作用于射流深度,影響混合軌跡分布[21],因此重點(diǎn)研究燃空動(dòng)量比對(duì)噴嘴摻混均勻性的影響規(guī)律。如a～e工況,空氣流量恒定,空氣平均流速為60 m/s,調(diào)整燃料流量改變?nèi)伎談?dòng)量比。預(yù)計(jì)a～e工況的Rm分別為0.53、0.72、0.94、1.19、1.77,符合實(shí)際富氫燃燒的燃空動(dòng)量比范圍[22]。

b工況燃燒單元典型的軸向燃料摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。由圖4可以看出,中央噴嘴和外圍噴嘴均保持燃料在空氣主流剪切層內(nèi)摻混,因此在參考截面S0內(nèi)即能表達(dá)氫氣摻混濃度變化;射流深度將影響下游燃料分布,高濃度區(qū)從靶狀向瓣?duì)钷D(zhuǎn)變過(guò)程中氫氣摩爾分?jǐn)?shù)逐漸下降,因主流內(nèi)聚作用,射流融合成后穩(wěn)定發(fā)展。將射流深度yinject定義為氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為0.1的等值線距燃料微孔最大高度,標(biāo)準(zhǔn)射流深度y的表達(dá)式為:

y=yinject/[0.5(Dexit-Dseg)]

(4)

圖5為X=0 mm截面中心噴嘴附近冷態(tài)速度矢量場(chǎng),高速燃料射流經(jīng)空氣主流裹挾,朝橫向偏轉(zhuǎn)。0

圖4 b工況中央噴嘴軸向氫氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.4 Hydrogen mole fraction at different axial distances of condition b

圖5 b工況X=0 mm截面速度矢量場(chǎng)Fig.5 Velocity vector field on X=0 mm plane in condition b

圖6 燃燒器單元網(wǎng)格與單噴嘴網(wǎng)格模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the standard jet depth y between burner unit grid and single nozzle grid

圖7為不同Rm的標(biāo)準(zhǔn)射流深度以及參考截面S0分別為Z/Lm=3、Z/Lm=4 (穩(wěn)定發(fā)展段)時(shí)的PSMD。由圖7可以看出,y與Rm呈正相關(guān),若提高Rm,y接近線性增加。Rm通過(guò)影響y進(jìn)一步影響參考截面S0上的燃料分布,y加深,則PSMD持續(xù)降低,最低PSMD出現(xiàn)在y=0.89時(shí)。

圖7 不同燃空動(dòng)量比下的PSMD和yFig.7 y and PSMD under different fuel-air momentum ratios

圖8為參考截面S0在Z/Lm=3處時(shí),不同燃空動(dòng)量比的歸一化氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布(歸一化值為1時(shí)完全預(yù)混)。由圖8可以看出,d工況中央氫氣摩爾分?jǐn)?shù)、射流中心氫氣摩爾分?jǐn)?shù)均更低、更均勻,混合效果明顯優(yōu)于a、b、c工況,說(shuō)明氫氣射流越深,向中央和射流外側(cè)擴(kuò)散越強(qiáng),從而降低PSMD。y>0.89時(shí),燃料射流會(huì)更加靠近主流空氣剪切層的邊緣,可能造成燃料進(jìn)入滯止區(qū)燃燒,如e工況,中央?yún)^(qū)域極接近完全預(yù)混,射流中心氫氣摩爾分?jǐn)?shù)上升,證明X=0 mm截面上出現(xiàn)燃料剪切層外溢,這表明y的理想?yún)^(qū)間在0.806～0.899,高動(dòng)量比作為控制標(biāo)準(zhǔn)射流深度的因素之一,增強(qiáng)燃料射流與空氣橫流的動(dòng)量交換及擴(kuò)散混合,從而改善混合均勻性,Rm在該孔徑的相應(yīng)區(qū)間為1.19～1.77。

3.2 孔徑及間隙比對(duì)摻混均勻性的影響

不同間隙比下參考截面S0燃料當(dāng)量比ΦH2分布如圖9所示,參考截面S0在Z/Lm=3位置。由圖9可以看出,Sn=5.4時(shí),射流內(nèi)外側(cè)濃度均較均勻,僅出現(xiàn)小范圍較高濃度區(qū)域,中心區(qū)當(dāng)量比Φ<0.8;Sn=4.4時(shí),間隙比過(guò)小則相應(yīng)小射流容易受主流扭轉(zhuǎn),多射流在穩(wěn)定發(fā)展段前收束匯聚明顯,即便小射流令擴(kuò)散混合得到增強(qiáng),仍會(huì)導(dǎo)致氫氣濃度上升;Sn=6.3時(shí),即存在較大間隙比,射流中心氫氣濃度急劇升高,遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。對(duì)比圖9(c)和圖8(d)可以看出,相同當(dāng)量比、近似孔徑下,均勻性有較大差別,說(shuō)明小間隙比促進(jìn)鄰射流的擾動(dòng)和擴(kuò)散。瓣?duì)钔鈧?cè)區(qū)域的混合強(qiáng)化,主要因孔徑增大導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)射流深度y增加,由于孔數(shù)減少導(dǎo)致向內(nèi)外擴(kuò)散面積減少,射流中心氫氣濃度下降緩慢。

圖10為不同間隙比下軸向截面PSMD和y。由圖10可以看出,孔徑越大,標(biāo)準(zhǔn)射流深度越深,但孔徑為0.44 mm,即Sn=5.4時(shí)的混合效果在各位置上均優(yōu)于另外2種情況;除了Z/Lm=1外,隨著軸向距離增加,PSMD差值增大。結(jié)合圖9可知,基于鄰射流相互作用,孔間隙過(guò)小或過(guò)大都不利于燃空混合。

圖10 不同間隙比下軸向截面PSMD和yFig.10 PSMD and y of axial section under different gap ratios

燃料微孔數(shù)量和間隙比是導(dǎo)致火焰分離和聯(lián)焰的主要因素,通過(guò)熱態(tài)計(jì)算分析了不同Sn下火焰重疊及未燃燒氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布情況。Z/Lm=3處的參考截面S0的熱態(tài)反應(yīng)場(chǎng)摩爾分?jǐn)?shù)如圖11所示,等值線序列高代表OH摩爾分?jǐn)?shù)更高,如Sn=4.4時(shí),OH摩爾分?jǐn)?shù)等級(jí)⑤～⑦區(qū)域表示有連續(xù)的高濃度斑點(diǎn)帶,截面中央?yún)^(qū)域OH摩爾分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于射流邊緣,可能有較厚焰層,此外OH高濃度斑點(diǎn)帶和氫氣射流重疊較明顯;Sn=5.4時(shí),OH最高摩爾分?jǐn)?shù)降至0.007,火焰僅出現(xiàn)在射流內(nèi)擴(kuò)散側(cè)小范圍,其剖面顯示厚度較薄,與氫氣射流重疊比例低;Sn=6.3時(shí),等值線顯示出往內(nèi)拉伸的簇狀火焰特征,射流中心燃料濃度過(guò)高。

(a) Sn=4.4(h工況)

(b) Sn=5.4(j工況)

(c) Sn=6.3(k工況)

圖11 熱態(tài)OH摩爾分?jǐn)?shù)等值線及氫氣摩爾分?jǐn)?shù)

間隙比過(guò)小,在靠近擴(kuò)散段區(qū)域火焰發(fā)展過(guò)早,可能會(huì)造成回流區(qū)燃燒,帶來(lái)火焰重疊問(wèn)題,因此適當(dāng)調(diào)整間隙比為0.54,可令氫氣分布更加均勻,在回流區(qū)后的空間燃燒,避免火焰重疊加厚導(dǎo)致的NOx排放惡化。

3.3 射流高度及混合長(zhǎng)度對(duì)摻混均勻性的影響

研究了不同的射流高度及擴(kuò)散段混合長(zhǎng)度對(duì)摻混均勻性的影響,分析潛在優(yōu)化混合機(jī)制。A～H結(jié)構(gòu)P0、Lm參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2(即表1中A～H工況),僅改變P0、Lm進(jìn)行對(duì)照研究,其他參數(shù)設(shè)置同表1中j工況。

表2 A～H結(jié)構(gòu)P0、Lm 參數(shù)設(shè)置

隨Lm增加的參考截面S0的燃料當(dāng)量比分布如圖12所示,參考截面S0在擴(kuò)散段后10 mm(穩(wěn)定發(fā)展段),其中A、B、C結(jié)構(gòu)的當(dāng)量比峰值Φp逐漸下降,分別為1.49、0.898、0.734,且均勻性逐漸改善;在研究范圍內(nèi),預(yù)混距離較長(zhǎng)可以有效降低射流中心的燃料濃度,促進(jìn)內(nèi)外側(cè)均勻混合。僅提高P0(Lm=5 mm),A、D、E結(jié)構(gòu)的Φp先降后升,分別為1.49、0.99、1.17。

圖13為不同P0、Lm下的PSMD,通過(guò)擴(kuò)大參數(shù)研究,進(jìn)一步研究確認(rèn)了Φp隨P0、Lm變化的規(guī)律并不單調(diào),而是受復(fù)雜條件影響。對(duì)比得到混合結(jié)構(gòu)C、H:前者PSMD為0.72;后者PSMD為0.66。 C、H結(jié)構(gòu)的PSMD及Φp均在較低水平。可以看出,截面PSMD下降與P0的增加趨勢(shì)仍有一致性,因?yàn)镻0撞擊位置處主流速度衰減,混合時(shí)間尺度增加,且射流更深,但同時(shí)也使得中心氫氣濃度降低稍慢;隨著Lm增加,PSMD也下降,且下降程度相較增加P0更加明顯。

圖14為沿程PSMD分布,Zd表示離擴(kuò)散段頂距離,PSMD的下降梯度?G均相近,初值有差異,說(shuō)明摻混也由上游結(jié)構(gòu)控制。為研究上游結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)混合的控制效果,通過(guò)湍流結(jié)構(gòu)來(lái)分析射流近場(chǎng)流動(dòng)的變化,發(fā)現(xiàn)P0與Lm的影響機(jī)制還包括旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)混合的改善,當(dāng)射流深度恒定時(shí),影響混合的因素主要是旋渦結(jié)構(gòu)。

圖14 不同P0、Lm下軸向參考截面S0的PSMDFig.14 PSMD on S0 cross-sectional plane under different P0 and Lm

分析了C、 H結(jié)構(gòu)的X=0 mm截面流線,如圖15所示。P0增加后, 駐點(diǎn)無(wú)后移,但主流擴(kuò)張導(dǎo)致其速度降低,因此出口下游區(qū)域流動(dòng)扭轉(zhuǎn)程度并不明顯。如圖中2區(qū)所示,C結(jié)構(gòu)燃料射流收束更加迅速,內(nèi)回流區(qū)大渦尺度相近,渦強(qiáng)更強(qiáng),使得1區(qū)流線上移,同時(shí)令擴(kuò)散至2區(qū)的燃料量減少,這解釋了該截面PSMD略升高的原因。

(a) C結(jié)構(gòu)

(b) H結(jié)構(gòu)圖15 X=0 mm截面軸向流線與氫氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.15 Axial streamline and hydrogen mole fraction on X=0 mm plane

圖16為基于Q準(zhǔn)則[23]捕捉的孔出口小尺度旋渦對(duì)結(jié)構(gòu)(基于Q=3×1010、8×1010等值面),C結(jié)構(gòu)通過(guò)產(chǎn)生前緣角渦(與A、H結(jié)構(gòu)相比尺度擴(kuò)大),燃料向兩側(cè)橫向擴(kuò)散加劇,與臨近孔的另一股角渦沖擊摻混;C結(jié)構(gòu)的腎形渦發(fā)展更迅速,圖中放大了距孔0.5 mm、垂直來(lái)流方向的橫截面,能明顯觀察到左右對(duì)稱的渦核,促進(jìn)了徑向擴(kuò)散。上游旋渦擴(kuò)張帶來(lái)的擾動(dòng)會(huì)提升氫氣在橫向、徑向2個(gè)方向的擴(kuò)散能力,直觀表現(xiàn)為降低射流中心的氫氣濃度,即得到更低的Φp。

(a) C結(jié)構(gòu)

(b) H結(jié)構(gòu)

(c) A結(jié)構(gòu)圖16 C、H、A結(jié)構(gòu)的孔出口小尺度渦結(jié)構(gòu)Fig.16 Small-scale vortex structure at the hole exit of the C, H and A structure

4 結(jié) 論

微混噴嘴的摻混效果直接受射流深度、鄰射流擾動(dòng)及擴(kuò)散段旋渦結(jié)構(gòu)的影響,而以上特性又由流動(dòng)、結(jié)構(gòu)因素決定。本文用PSMD、Φp及PSMD沿軸向的梯度3個(gè)指標(biāo)來(lái)表征摻混的效果,主要結(jié)論如下:

(1) 標(biāo)準(zhǔn)射流深度處于0.806～0.890時(shí),摻混均勻性較好,既避免了氫氣射流突破空氣剪切層進(jìn)入滯止區(qū),同時(shí)最大化促進(jìn)射流中心與內(nèi)外擴(kuò)散側(cè)的摻混。對(duì)應(yīng)的燃空動(dòng)量比為1.19～1.77。

(2) 間隙比為0.54時(shí),強(qiáng)化了鄰射流相互作用,氫氣分布更均勻,有效減少火焰重疊,火焰主體穩(wěn)定在回流區(qū)后。間隙比與孔徑互為制約,孔徑與標(biāo)準(zhǔn)射流深度正相關(guān)。間隙比過(guò)小,對(duì)應(yīng)小直徑射流收束、匯聚現(xiàn)象嚴(yán)重,擴(kuò)散得到增強(qiáng)但是截面燃料當(dāng)量比總體升高;間隙比過(guò)大,射流中心氫氣摩爾分?jǐn)?shù)下降緩慢。

(3) 射流高度P0=0、混合長(zhǎng)度Lm=10 mm時(shí)兼具了較低PSMD、當(dāng)量比峰值,混合均勻性良好。一定范圍內(nèi)提升P0、Lm,標(biāo)準(zhǔn)射流深度變深,PSMD降低,部分預(yù)混更均勻。從流動(dòng)角度分析,孔出口處腎形渦對(duì)等結(jié)構(gòu)的擾動(dòng),提升了氫氣在橫向、徑向2個(gè)方向的擴(kuò)散能力,降低射流中心氫氣濃度。