莫妲，林宇震，韓嘯，*，馬宏宇，劉一雄

1.北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191

3.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015

針對(duì)日益嚴(yán)重的全球氣候變暖問題，低碳排放成為當(dāng)前世界各國環(huán)境保護(hù)的首要目標(biāo)。為減少航空領(lǐng)域的碳排放，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）對(duì)民航飛機(jī)的污染物排放作了一系列強(qiáng)制性的規(guī)定，在逐步加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也在推廣更加環(huán)保的替代燃料，如生物燃料、氫燃料等，以降低民航發(fā)動(dòng)機(jī)排放。歐洲民航局在Flight Path 2050 中制定了嚴(yán)苛的排放目標(biāo)，如每公里每個(gè)乘客減少75%的二氧化碳和90%的氮氧化物排放［1-3］。中國也提出了在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060 年前碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)航空燃料均為碳?xì)淙剂希紵^程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO、UHC 等含碳化合物，CO2是導(dǎo)致全球變暖的主要溫室氣體，CO、UHC 等則是航空飛行過程中的主要污染物［4］，不能滿足低排放需求。因此，低碳、低污染排放技術(shù)是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)、空天飛行器和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［5-7］。

縱觀整個(gè)航空發(fā)展歷史，推進(jìn)技術(shù)在很大程度上決定著飛機(jī)的發(fā)展和進(jìn)步，沒有先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，飛行器技術(shù)也很難會(huì)有新的突破。未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)在可靠性、低排放、超靜音、高推比上將有突破性的進(jìn)展，而燃燒技術(shù)的進(jìn)步對(duì)推進(jìn)技術(shù)的突破起著關(guān)鍵作用。針對(duì)新能源推進(jìn)系統(tǒng)，無論是氣態(tài)燃料還是液態(tài)燃料，氫都是實(shí)現(xiàn)零碳排放方向上最具潛力的選擇之一［8］。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中直接燃燒氫，與氧氣的反應(yīng)副產(chǎn)物為H2O和NOx。

2020年，法國空客公司選定氫作為未來飛機(jī)的首選能源，提出代號(hào)ZEROe 的全球首款零排放氫能源概念飛機(jī)，制定可執(zhí)行洲際飛行的氫能源單通道飛機(jī)方案［9］。2021年，英國全球工程公司（Guest，Keen &Nettlefolds，GKN）牽 頭H2GEAR 項(xiàng)目［10］，與多家公司和大學(xué)合作開發(fā)氫能源推進(jìn)系統(tǒng)。

實(shí)際上，輕質(zhì)、高效、高熱值的燃料一直是航空航天領(lǐng)域迫切需要的，氫能源的熱值是航空煤油的3倍，一直被視為是臨近空間推進(jìn)系統(tǒng)的首選燃料之一。早在1956年，普惠在J57 發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了氫燃料試驗(yàn)研究［11］，論證氫燃料用于超聲速巡航發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在J65 發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了一系列研究，并將氫燃料應(yīng)用在B57 轟炸機(jī)上［12］。如圖1所示［12］，其左翼的發(fā)動(dòng)機(jī)為液氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并采用氦氣作為壓力推進(jìn)劑以使得液氫通過熱交換器。此外，氫動(dòng)力在無人機(jī)上的應(yīng)用也得到了大量的應(yīng)用驗(yàn)證，美國國防部提出的聯(lián)合能力技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃［13］，旨在驗(yàn)證在19 800 m 高空持續(xù)飛行5 d 以上的氫動(dòng)力無人飛行器。2011年，GO-1完成液氫動(dòng)力首飛，進(jìn)入高空長(zhǎng)時(shí)飛行試驗(yàn)和作戰(zhàn)實(shí)用階段。2007年，氫動(dòng)力鬼眼縮比機(jī)完成試驗(yàn)，2012—2013年，完成6 次飛行試驗(yàn)并進(jìn)入性能測(cè)試狀態(tài)，可以看出氫動(dòng)力技術(shù)是臨近空間持久偵察和通信技術(shù)的重要提升［14］。

圖1 氫動(dòng)力B57 轟炸機(jī)示意圖［12］Fig.1 Schematic diagram of hydrogen-powered B57 bomber［12］

氫動(dòng)力在組合動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中也得到廣泛應(yīng)用。在大推力火箭發(fā)展過程中，世界各國均大力發(fā)展了以液氫為燃料、液氧為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)。在相同起飛重量下，使用氫燃料可以明顯提高飛行器航程和有效載荷；在相同的有效載荷和航程下，使用氫燃料可以明顯降低飛行器總重量，從而允許飛行器配備質(zhì)量和尺寸更小的推進(jìn)系統(tǒng)［15-16］。另一方面，氫燃料可以用來冷卻高速飛行器表面氣動(dòng)熱或燃燒室、噴管等熱端部件，進(jìn)行整機(jī)熱管理，液氫吸熱后汽化，有利于進(jìn)入燃燒室后的燃燒［17-18］。因此，液氫可以同時(shí)兼有推進(jìn)劑和冷卻劑的雙重作用［19］。

從1958 年開始，我國已經(jīng)成功研制了20 多型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，是現(xiàn)役和未來主要運(yùn)載火箭的主要配套發(fā)動(dòng)機(jī)之一［20］。歐盟致力于組合動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和概念設(shè)計(jì)研究［21］，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)氫燃料組合動(dòng)力的馬赫數(shù)5 巡航。日本也在空氣渦輪沖壓膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)［22］中以液氫為燃料，工作范圍為馬赫數(shù)0～6，以期在未來可重復(fù)運(yùn)載器中得到應(yīng)用。可以預(yù)見的是在未來空天組合動(dòng)力和民用航空動(dòng)力研究中，氫動(dòng)力必將成為最重要的能源之一［23-25］。

在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也正在開展氫燃燒理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用研究。通用電氣公司（General Electric，GE）、西門子、三菱以及安薩爾多能源公司（Ansaldo Energia）、日本川崎公司等國際巨頭都致力于摻氫、純氫的燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)，并且已有機(jī)型投入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠應(yīng)用［26］。2005年，美國能源部（Department of Energy，DOE）啟動(dòng)了先進(jìn)煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）/氫燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃，GE 公司與其開展合作，旨在研發(fā)燃燒高濃度氫氣并可靠運(yùn)行的燃燒系統(tǒng)。目標(biāo)是在保持現(xiàn)有排放水平2×10-6（15%含氧量）基礎(chǔ)上，聯(lián)合循環(huán)效率提高3%～5%［27］。德國西門子在SGT-700和SGT-800 型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的第3 代干式低排放（Dry Low Emission，DLE）燃燒器上試驗(yàn)研究了4 種不同的富氫（0%、30%、60%和80%H2）-天然氣 火焰對(duì)火焰動(dòng)力學(xué)影響［28］。昌運(yùn)鑫等［29］基于中心分級(jí)旋流火焰展開了摻氫試驗(yàn)研究，獲得了主燃級(jí)當(dāng)量比、預(yù)燃級(jí)當(dāng)量比和主燃級(jí)摻氫功率對(duì)火焰壓力脈動(dòng)、火焰宏觀形狀以及層流火焰速度的影響。巨翃宇等［30］對(duì)航改燃機(jī)氫燃料燃燒室的3 種不同噴射單元開展仿真研究，獲得了氫氣噴射方式對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，提出了基于粒子群優(yōu)化的NOx排放回歸模型。

因此，氫燃料作為替代傳統(tǒng)化石燃料的能源，對(duì)于緩解全球氣候變暖具有重要意義，在航空、航天和地面燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和研究。本文總結(jié)了氫氣的物理化學(xué)特點(diǎn)，討論了氫氣安全穩(wěn)定燃燒的可實(shí)現(xiàn)方式，以及數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究進(jìn)展，概括了氫氣低污染排放措施，為氫燃燒技術(shù)工程應(yīng)用提供了有用參考和借鑒。

1 氫氣微混燃燒原理

1.1 氫氣特點(diǎn)

氫氣只由氫元素構(gòu)成，具有無色、無味、無毒的特點(diǎn)，是一種無碳燃料，能夠有效降低CO2排放，可使飛機(jī)排放氣體等對(duì)氣候的影響降低50%～75%。表1 列出了常溫常壓下氫氣、天然氣和航空煤油的物理和化學(xué)特性［31-32］。由表1 可以看出：

表1 燃料特性對(duì)比［31-32］Table 1 Fuel properties comparison［31-32］

1）氫氣密度最小，僅約為傳統(tǒng)燃料密度的10%，其運(yùn)動(dòng)慣性也較小，導(dǎo)致其在流場(chǎng)中的擴(kuò)散速度較慢。因此，需要采取更加精細(xì)的燃燒控制策略，以確保氫氣與空氣充分混合，從而實(shí)現(xiàn)高效燃燒。

2）氫氣可燃范圍更寬，如圖2 所示［33］，且其點(diǎn)火能量只有天然氣的7%，只需1 個(gè)小的火花或靜電火花，就可以點(diǎn)燃?xì)錃猓胰紵俣确浅？?，約為天然氣的8倍，當(dāng)氫氣與空氣混合并遇到點(diǎn)火源后，火焰迅速擴(kuò)散，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在預(yù)混燃燒室，氫氣火焰更加緊湊、更加靠近燃燒室頭部，易引發(fā)回火問題。但是，氫氣燃燒速度快的優(yōu)點(diǎn)是短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高效燃燒，進(jìn)而大幅縮短燃燒室長(zhǎng)度，有益于發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)和性能提升。

圖2 氫燃燒火焰溫度和當(dāng)量比范圍［33］Fig.2 Flame temperature and equivalence ratio range of hydrogen［33］

3）當(dāng)氫氣燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量和氣體膨脹，從而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)。燃燒速度的差異意味著化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間以及火焰形狀不同，進(jìn)而影響燃燒室的壓力脈動(dòng)與熱釋放之間的相位關(guān)系，這種相位關(guān)系的變化可能會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，甚至引發(fā)熱聲振蕩等問題。這為燃燒控制帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，在設(shè)計(jì)氫燃燒室時(shí)，需要考慮氫氣和其他燃料的燃燒特性差異，以確保燃燒的穩(wěn)定性和安全性。

4）氫氣的絕熱火焰溫度高出傳統(tǒng)燃料118 K以上，當(dāng)絕熱火焰溫度升高時(shí)，燃料中的化學(xué)能會(huì)被更充分地釋放，在氧氣充足條件下，可提高燃燒效率和能量利用率。但若絕熱火焰溫度過高，就會(huì)產(chǎn)生過多局部高溫區(qū)，加速氮氧化物生成。因此，在使用氫氣燃料時(shí)，需要采取有效的措施來控制燃燒過程，以降低局部高溫區(qū)域的產(chǎn)生。此時(shí)，可利用氫氣可燃范圍寬的特點(diǎn)，如圖2［33］所示，通過貧油燃燒技術(shù)以降低NOx排放。

1.2 NOx生成機(jī)理

氫燃燒NO 生成機(jī)理主要為熱力型，根據(jù)Zeldovich 機(jī)理［34-35］，熱力型NO 主要由高溫燃燒產(chǎn)生，可由3 步鏈反應(yīng)描述，分別如下：

燃燒過程中的第1 步反應(yīng)因要破壞N2穩(wěn)定的三鍵，需要高 活化能，約314 kJ/mol［36］。因 此反應(yīng)速率較慢，需要較高的溫度。在火焰區(qū)中，氧原子首先以活化能較小的方式與燃料中的可燃成分反應(yīng)。因此，熱力型NO 主要在火焰區(qū)下游［37-38］形成。而快速型NO 主要在火焰中的快速反應(yīng)中產(chǎn)生。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，熱力型NO 生成速度如式（1）所示［37］：

式中：CN2為氮?dú)鉂舛?；CO2為氧氣濃度；T 為熱力學(xué)溫度；t 為停留時(shí)間；R 為摩爾氣體常數(shù)。

根據(jù)式（1）可見，燃燒溫度是影響熱力型NO生成的最敏感參數(shù)，其與NO 生成速率呈指數(shù)關(guān)系。此外，氮氧化物生成還與氧濃度的平方根、N2濃度和停留時(shí)間成正比，但與燃燒溫度相比，量級(jí)較小，可見燃燒溫度對(duì)NO 生成占主導(dǎo)作用。因此為降低NO 生成，主要是通過降低燃燒溫度來實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，當(dāng)火焰溫度<1 800 K時(shí)，NO生成速率極低。然而，當(dāng)火焰溫度每升高100 K，NO 生成速率將呈現(xiàn)6～7 倍的增長(zhǎng)率［37-38］。

相關(guān)研究表明［39-40］，在實(shí)際燃燒室工作過程中，影響NOx排放的因素為反應(yīng)速率、摻混性能、停留時(shí)間、氫氣孔徑和噴射速度等，如式（2）所示。

式中：EINOx為NOx排放指數(shù)；Dj為氫氣孔徑；Uj為射流速度；fs為化學(xué)計(jì)量混合分?jǐn)?shù)；Da 為Damk?hler 數(shù)看；n=0.5。

式（2）可以簡(jiǎn)化為式（3）：

因此，針對(duì)氫燃燒NOx排放，可以采取以下措施進(jìn)行降低：

1）減少空氣中的氧含量是最為常見的方法之一，可以使用N2稀釋氣體，從而減少氧氣對(duì)燃料的過量氧化反應(yīng)。這樣不僅可以降低火焰溫度，也可有效減少NOx的生成。

2）增強(qiáng)氫氣與空氣的摻混效果，防止局部燃料過于富集，減少火焰局部的熱點(diǎn)，從而控制火焰溫度<1 800 K。

3）為縮短停留時(shí)間，減小火焰尺度，可采用微混燃燒組織方式，將傳統(tǒng)大尺度火焰轉(zhuǎn)化為小火焰團(tuán)，減少高溫燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間，從而降低NOx的生成速率。

綜上分析，微混燃燒技術(shù)的運(yùn)用是氫燃料低污染燃燒技術(shù)的重要途徑之一。

1.3 微混燃燒原理

因氫氣密度低，射流穿透能力弱，易被高速氣流快速卷走。因此，噴注后的氫氣無法在大流量、高速進(jìn)口氣流中得到充分摻混，如圖3 所示［41-42］，因此將存在局部燃料集中、過富的現(xiàn)象，帶來局部當(dāng)量比高和高溫?zé)狳c(diǎn)的問題，進(jìn)而生成大量的NOx。然而，采用低污染大尺度旋流的預(yù)混燃燒室雖可以抑制污染物排放，但容易出現(xiàn)回火、燃燒振蕩問題，如圖4 所示［43］。若進(jìn)口參數(shù)過高，氫氣還易發(fā)生自燃。

圖3 常規(guī)低污染排放燃燒室Fig.3 Conventional low emission combustor

圖4 常規(guī)貧油預(yù)混燃燒室回火過程［43］Fig.4 Flashback process of conventional lean premixed combustor［43］

傳統(tǒng)燃燒室頭部混合器的防回火措施不適用于氫氣的高火焰?zhèn)鞑ニ俣取，F(xiàn)有氫燃燒微混技術(shù)研究大多采用微通道混合，如圖5 所示，將大尺度火焰轉(zhuǎn)化為多個(gè)微小尺度火焰，增強(qiáng)了空氣和氫氣的局部混合強(qiáng)度，提升了混合均勻度。圖5 給出了旋流微混燃燒室原理圖［44］，可以發(fā)現(xiàn)存在大量的微通道，所形成的小尺度火焰顯著縮短了氮?dú)庠诟邷貐^(qū)的駐留時(shí)間，可以大幅度降低氮氧化物生成。這種在混合通道結(jié)構(gòu)尺寸<10 mm 內(nèi)的燃燒現(xiàn)象，稱為微混燃燒。圖6 為橫向射流微混燃燒室［45］，圖7［46］和圖8［47］分別展示了通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究獲得的微混燃燒火焰。

圖6 微混燃燒室［45］Fig.6 Micromix combustor［45］

圖7 數(shù)值模擬微混燃燒火焰［46］Fig.7 Micromix combustion flame in numerical simulation［46］

圖8 試驗(yàn)微混燃燒火焰［47］Fig.8 Micromix combustion flame in test［47］

2 微混燃燒混合結(jié)構(gòu)和研究進(jìn)展

常見的氫氣燃燒組織方式包括微混預(yù)混燃燒和微混非預(yù)混燃燒。微混預(yù)混燃燒是指氫氣和空氣在微通道內(nèi)預(yù)先摻混，混合氣通過同一噴孔共同射流噴出。如圖9 所示［33］，采用預(yù)混燃燒能有效降低氫燃燒氮氧化物的排放，在產(chǎn)生相同的熱量情況下，氫預(yù)混燃燒的氮氧化物生成可降低為航空煤油的1/20。然而，預(yù)混反應(yīng)中氫氣的活潑性和更高的火焰速度使火焰鋒面更薄，也使得火焰更容易向上游移動(dòng)，將增加回火風(fēng)險(xiǎn)。相反，微混非預(yù)混燃燒方式是一種新型的燃燒方式，也稱為擴(kuò)散燃燒。氫氣和空氣分別高速通過射流通道，氫氣在空氣出口處噴入，兩者在微通道出口處摻混燃燒。相比于預(yù)混燃燒，擴(kuò)散燃燒可以避免氫氣燃燒“回火”問題，從而提高燃燒效率和穩(wěn)定性。然而，擴(kuò)散燃燒也會(huì)伴隨著更高的氮氧化物排放，下面針對(duì)2 種燃燒組織形式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖9 預(yù)混燃燒對(duì)NOx排放影響［33］Fig.9 Influence of premixing combustion on NOx emission［33］

2.1 微混預(yù)混燃燒

預(yù)混燃燒組織方式是在燃燒前將氫氣和空氣充分混合，能夠有效避免氫氣濃度集中和產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量燃燒區(qū)，從而降低燃燒過程中局部熱點(diǎn)的形成，進(jìn)而降低氮氧化物的排放量，但需額外增加防回火措施。國內(nèi)外學(xué)者采用與圖10 所示貧油直噴（Lean-Direct Injector，LDI）［47-50］相似的微混合器來實(shí)現(xiàn)微混預(yù)混燃燒，摻混方式主要包括射流-橫流混合、旋流微混、通道內(nèi)的同流混合［51］、徑向和軸向入流的小“杯”內(nèi)旋流混合［52-53］、多孔介質(zhì)混合［54］、螺紋回路混合［55］等方式。

圖10 NASA LDI 噴射器［48］Fig.10 LDI injector of NASA［48］

2005年，NASA 基于微混合燃燒原理，提出LDI 的概念，將氫燃料分為多股與空氣進(jìn)行混合。圖11 為NASA 設(shè)計(jì)的一種典型的LDI 噴射器［48］，該設(shè)計(jì)中噴油裝置由同心安裝在一起的空氣環(huán)通道和氫燃環(huán)通道組成。氫噴射孔布置在空氣噴射孔內(nèi)，且每個(gè)氣槽中布置了單獨(dú)的氫噴射器，實(shí)現(xiàn)了空氣與氫氣的對(duì)稱混合?；趫A柱形微通道，又發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)形式的混合方案，如圖11 所示。LDI 的設(shè)計(jì)提高了燃料在預(yù)燃過程中的混合質(zhì)量，縮短了燃料在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間，降低了NOx的排放。

圖11 NASA 橫向射流流動(dòng)燃燒［48］Fig.11 Cross-flow combustor of NASA［48］

美國GE 公司［56］設(shè)計(jì)了一種新型的射流-橫流混合氫燃料多管噴射器（Multi-tube mixer，MT mixer），如圖12 所示，氫氣與空氣在噴射器內(nèi)部形成多個(gè)微小預(yù)混區(qū)，實(shí)現(xiàn)了氫氣與空氣的均勻混合，避免了燃燒火焰高溫點(diǎn)，降低了氮氧化物的生成。在進(jìn)口1.72 MPa 條件下，NOx不高于5×10-6（15%含氧量）。

圖12 GE 公司多管微預(yù)混噴射器［56］Fig.12 GE multi-tube mixer［56］

旋流微混預(yù)混器通過減小旋流裝置尺寸，增強(qiáng)微團(tuán)擾動(dòng)的湍流擴(kuò)散摻混，縮短燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間，降低NOx生成?？諝庖砸欢ǖ膬A斜角度射入，受渦流器擾動(dòng)影響，軸向射流強(qiáng)度有所減弱，以便與橫向射流的氫氣得到充分摻混。KIM等［57］采用旋流微混組織方式，通過將氫氣在旋流通道內(nèi)垂直入射，與空氣在旋流通道2.7 mm 長(zhǎng)度范圍內(nèi)混合，如圖13 所示。整個(gè)旋流器葉片數(shù)量共14個(gè)，旋流數(shù)為0.832，氫氣噴口直徑1.78 mm，試驗(yàn)研究了氫氣體積流量0～100%時(shí)的熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定對(duì)摻氫比例較為敏感，摻氫比例增加會(huì)使得火焰?zhèn)鞑ニ俣群椭C振頻率增加。

圖13 韓國首爾大學(xué)部分預(yù)混器［57］Fig.13 Partial mixer of Seoul National University［57］

伊利諾斯大學(xué)［58-61］基于旋流微混組織方式發(fā)展了旋流耦合鈍體的預(yù)混器。如圖14 所示，回流區(qū)用于形成穩(wěn)定火焰，并獲得緊湊、分布均勻、互相支持的火焰結(jié)構(gòu)，燃燒性能和排放特性與大尺度混合器的基本相當(dāng)，但熄火邊界更寬。同時(shí)，可根據(jù)燃燒室性能需求，在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)尺寸縮放并保持性能穩(wěn)定。圖15 給出了4×4 陣列燃燒試驗(yàn)件的甲烷摻氫光學(xué)測(cè)試原理圖，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該混合器可以拓寬熄火邊界，提升火焰溫度，縮短火焰長(zhǎng)度，火焰緊湊，提升OH 濃度，降低釋熱率波動(dòng)，提升熱聲穩(wěn)定性。

圖14 伊利諾斯大學(xué)旋流微混燃燒流動(dòng)原理圖［58］Fig.14 Swirl micromix combustion principle of Illinois University［58］

圖15 伊利諾斯大學(xué)旋流微混燃燒單元結(jié)構(gòu)［58-61］Fig.15 Swirl micromix array element of Illinois University［58-61］

LANDRY-BLAIS等［62］采用旋流微混方式將氮氧化物排放降低到預(yù)混水平。其中，氫氣孔徑0.25～0.40 mm，孔數(shù)量30～100，混合通道直徑25 mm，氫氣通過旋流葉片下游的小孔以橫向射流的方式入射到主流中，以強(qiáng)旋流的方式穩(wěn)定火焰并增強(qiáng)摻混。

微通道快速旋切射流預(yù)混器也是一種可行方案。氫氣與空氣入射孔可以徑向和周向方式噴注在微通道內(nèi)，切向入射可在通道內(nèi)形成旋渦流動(dòng)，并夾帶入射的氫氣快速混合后噴出混合器。微混通道可根據(jù)混合效果設(shè)計(jì)為平直段、擴(kuò)張型和收斂型。LEI和KHANDELWAL［63］利用氫氣和空氣快速旋切射流進(jìn)入柱形通道內(nèi)微預(yù)混器，增強(qiáng)了氫氣和空氣的混合，減小火焰尺度和NOx生成。在微混通道內(nèi)，空氣射流方向可垂直于通道軸線，也可為通道的切向方向，即徑向或周向入射。

國內(nèi)在氫燃料燃燒室方面也開展了較多研究，如圖16 所示，文獻(xiàn)［64-65］采用同流混合射流的微混預(yù)混器，減小燃燒尺度，增強(qiáng)湍流強(qiáng)度，降低污染物排放。

圖16 同流混合射流的微混預(yù)混器［64］Fig.16 Micromix combustion burner based on multiple confluent turbulent round jets［64］

王陽墚旭等［66］對(duì)天然氣燃燒室進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，通過改變腔體長(zhǎng)度、擴(kuò)壓器長(zhǎng)度、火焰筒長(zhǎng)度和直徑等參數(shù)以適應(yīng)氫燃燒特性，但會(huì)使燃燒室長(zhǎng)度明顯增加。田曉晶等［67］研究了預(yù)混段結(jié)構(gòu)對(duì)氫燃料回火的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)混段長(zhǎng)度和水力直徑對(duì)熄火因子和回火臨界當(dāng)量比有顯著作用，應(yīng)盡量減少停留時(shí)間以避免回火風(fēng)險(xiǎn)。

雖然上述預(yù)混燃燒方式采用了避免回火的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，由于存在高湍流、高旋流等復(fù)雜環(huán)境，預(yù)混燃燒組織形式難以長(zhǎng)期保持穩(wěn)定和安全的工作狀態(tài)。此外，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)混燃燒，需要采用混合器，這進(jìn)一步增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜程度。

2.2 微混擴(kuò)散燃燒

為了規(guī)避上述問題，采用邊混合邊燃燒的方式，本質(zhì)上屬于擴(kuò)散燃燒，即微混擴(kuò)散燃燒。氫氣通過微小噴孔橫向噴射進(jìn)入頭部微孔的主流高速空氣中進(jìn)行混合燃燒，迅速形成多個(gè)微小尺度的擴(kuò)散火焰，使反應(yīng)區(qū)域小尺度化，縮短氮?dú)庠诟邷貐^(qū)的駐留時(shí)間，同時(shí)在每個(gè)擴(kuò)散小火焰中實(shí)現(xiàn)貧油燃燒和強(qiáng)烈摻混，降低火焰溫度，可以大幅度降低氮氧化物生成。

圖17 為亞琛大學(xué)橫向射流流動(dòng)燃燒原理和結(jié)構(gòu)［43，68］，采用多個(gè)微通道結(jié)合多個(gè)氫微噴射孔的方法來降低純氫燃燒過程中氮氧化物的排放。氫氣與空氣的高速橫向射流混合，將在下游產(chǎn)生穩(wěn)定火焰的內(nèi)、外回流區(qū)，回流區(qū)之間的剪切層用于駐留火焰。通過文獻(xiàn)［68］中的研究結(jié)果，亞琛大學(xué)確定了空氣孔的排布，從而獲得最優(yōu)的空氣流通阻塞比，以保證合適的回流區(qū)尺寸。這樣可以在保證火焰穩(wěn)定的同時(shí)，使火焰在徑向方向上分離，減少相互干擾，從而提高燃燒效率和穩(wěn)定性。

圖17 亞琛大學(xué)橫向射流流動(dòng)燃燒原理和結(jié)構(gòu)［43，68］Fig.17 Cross-flow combustion and micromix structure of Aachen University［43，68］

同時(shí)，文獻(xiàn)［43］通過開展污染物排放敏感參數(shù)影響研究，發(fā)現(xiàn)穿透深度過大或過小都會(huì)將火焰到回流區(qū)內(nèi)，進(jìn)而延長(zhǎng)停留時(shí)間，增加氮氧化物排放。

在該方案框架下，文獻(xiàn)［43，69-75］針對(duì)橫向射流微混結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性、燃燒穩(wěn)定性和污染物排放開展了大量的研究，并分別在2 MW 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施方案設(shè)計(jì)、工程研發(fā)和性能評(píng)估，如圖18 所示，初步驗(yàn)證了微混橫向射流方案理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的可行性［76-79］。

圖18 克蘭菲爾德大學(xué)橫向射流燃燒室［46，73］Fig.18 Cross-flow combustor of Cranfield University［46，73］

基于歐盟ENABLEH2 項(xiàng)目［46］，文獻(xiàn)［73］對(duì)空氣射流孔型、尺寸參數(shù)和當(dāng)量比等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，NOx生成量受射流穿透火焰相互作用和孔型等多種因素的影響，減少火焰之間相互作用有助于降低NOx排放。同時(shí)，也對(duì)微混擴(kuò)散燃燒室的聲不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了研究［80-81］，并發(fā)現(xiàn)了23.8 kHz 的高頻聲響應(yīng)，這是由于射流孔尾跡存在聲反饋，并與空氣擋流板的軸向聲模態(tài)發(fā)生耦合所致。當(dāng)圖19 中的摻混距離（Mixing Distance）從2 mm 降低到1 mm時(shí)，該響應(yīng)幅值從0.035 MPa 降至0.030 MPa。而空氣進(jìn)口的延長(zhǎng)則會(huì)使該響應(yīng)升高至0.047 5 MPa。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該合理選擇氫氣孔的軸向位置。

圖19 克蘭菲爾德大學(xué)橫向射流燃燒室關(guān)鍵參數(shù)［73］Fig.19 Key parameters of cross-flow combustor of Cranfield University［73］

英國克 蘭菲爾 德大學(xué) 的Murthy［82］、Karakurt［83］利用數(shù)值仿真方法對(duì)快速旋切的微混擴(kuò)散燃燒室開展研究，如圖20 所示。結(jié)果表明采用氫氣徑向耦合空氣切向入射方式，可有效減小主燃區(qū)的高溫區(qū)域。采用切向入射和混合區(qū)漸擴(kuò)的結(jié)構(gòu)，可增大旋流強(qiáng)度、減小高溫區(qū)、提升氫氣與空氣的混合品質(zhì)，并縮短燃燒室長(zhǎng)度達(dá)40%以上。Asanitthong［84］對(duì)上述方案進(jìn)行優(yōu)化，通過增加空氣槽數(shù)量，增強(qiáng)了混合效果，降低了混合溫度。

Ziemann等［49］提出了高剪切旋流概念，如圖21所示，主流空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的切向剪切流，并形成高度湍流區(qū)，氫氣進(jìn)入高湍流區(qū)后實(shí)現(xiàn)快速摻混。在高剪切旋流中，湍流強(qiáng)度增大，進(jìn)一步縮短氫氣與空氣的混合時(shí)間，更有效降低NOx排放。

圖21 高剪切渦流燃燒室［49］Fig.21 High shear swirl combustor［49］

2.3 微混燃燒仿真

數(shù)值仿真研究是燃燒學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，能夠幫助研究人員深入探究?jī)?nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性［85-87］。在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室方面，高精度仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)［88-89］。通過數(shù)值仿真，研究人員可以在不同的工況下模擬燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)過程，從而深入研究燃燒室內(nèi)的復(fù)雜物理現(xiàn)象。此外，數(shù)值仿真還可以幫助優(yōu)化燃燒室的設(shè)計(jì)，提高燃燒效率和降低排放量。因此，數(shù)值仿真研究在燃燒學(xué)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

到目前為止，數(shù)值仿真面臨的最大挑戰(zhàn)之一是準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)燃燒過程，而燃燒CFD 的復(fù)雜性來自于對(duì)流動(dòng)的物理和化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)建模，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火焰的長(zhǎng)度、形狀、位置和溫度，以及污染物排放量。

氫氣微混燃燒仿真具有較大的挑戰(zhàn)，并面臨以下技術(shù)難點(diǎn)和特點(diǎn)：

1）氫氣燃燒機(jī)理：正確建立可靠的氫氣燃燒機(jī)理是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)。氫屬于一種燃燒速度快的小分子，并具有較高的活性和擴(kuò)散性，其燃燒復(fù)雜性導(dǎo)致燃燒機(jī)理相對(duì)較為復(fù)雜，包括氫氣與空氣之間的化學(xué)反應(yīng)、生成物組分的形成和演化過程等。因此，確定準(zhǔn)確、細(xì)致的燃燒機(jī)理是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)：對(duì)于仿真模型中的燃燒機(jī)理，需要明確各個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如反應(yīng)速率常數(shù)、活化能等。由于氫氣燃燒機(jī)理的復(fù)雜性，獲取這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算進(jìn)行估算。

3）多尺度建模與耦合：氫氣微混燃燒涉及多個(gè)尺度的物理過程，包括燃料注入、混合、傳輸、燃燒和傳熱等。如何有效地將這些不同尺度的過程耦合進(jìn)行仿真，并提高模型的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，是一個(gè)亟待解決的問題。

4）網(wǎng)格生成與求解算法：進(jìn)行氫氣微混燃燒仿真需要生成適當(dāng)?shù)挠?jì)算網(wǎng)格，并選擇合適的求解算法。特別是，湍流的作用對(duì)火焰形狀有重要影響，使火焰表面起皺和拉伸，從而增加了燃燒和未燃物之間的擴(kuò)散混合程度。由于氫氣燃燒的特殊性，需要考慮穩(wěn)定的數(shù)值算法和細(xì)網(wǎng)格的生成，以解決計(jì)算精度和計(jì)算效率之間的矛盾。

綜上所述，氫氣微混燃燒仿真面臨燃燒機(jī)理建立、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)確定、多尺度建模與耦合、網(wǎng)格生成與求解算法等技術(shù)難點(diǎn)，需要綜合考慮并克服這些難題才能進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的仿真研究。

表2 給出了國內(nèi)外［47，59，64-65，73，90-91］微混燃燒數(shù)值仿真研究情況，包含進(jìn)氣條件、湍流模型等。以亞琛大學(xué)的對(duì)射流-橫流方案下不同當(dāng)量比的燃燒性能數(shù)值仿真模擬為例進(jìn)行說明。計(jì)算得到了溫度場(chǎng)分布，如圖22 所示［47］，可以看出仿真火焰保持了典型的獨(dú)特的微混合火焰結(jié)構(gòu)，均沿著剪切層中的反應(yīng)區(qū)，火焰在各個(gè)方向上明顯分離，沒有合并的傾向，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表2 微混燃燒仿真研究對(duì)比Table 2 Comparison of numerical simulation investigations into micromix combustion

圖22 亞琛大學(xué)溫度場(chǎng)和NO 濃度分布仿真結(jié)果［47］Fig.22 Temperature and NO mass fraction results of Aachen University［47］

燃燒反應(yīng)機(jī)理是燃燒學(xué)研究中的核心問題之一，對(duì)于氫燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的意義。掌握燃燒反應(yīng)機(jī)理，可以更好地理解氫燃燒室內(nèi)的燃燒過程，分析不同燃燒條件下的燃燒特性，評(píng)估試驗(yàn)研究結(jié)果的不確定性。此外，在進(jìn)行燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬時(shí)，需要考慮燃燒反應(yīng)機(jī)理的影響，以便更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)的溫度、壓力、速度等物理量的變化規(guī)律。還需要根據(jù)燃燒反應(yīng)機(jī)理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行求解，以獲得燃燒室內(nèi)各種物理量的分布規(guī)律。因此，燃燒反應(yīng)機(jī)理的準(zhǔn)確描述對(duì)于數(shù)值仿真的結(jié)果具有重要的影響。

在過去的十年中，國內(nèi)外學(xué)者提出了幾種新的氫燃燒機(jī)理。文獻(xiàn)［92］對(duì)19 種燃燒機(jī)理在模擬點(diǎn)火延遲時(shí)間、流動(dòng)反應(yīng)器的濃度-時(shí)間分布、火焰速度、噴射攪拌器出口濃度等性能進(jìn)行對(duì)比分析，按綜合性能預(yù)測(cè)精度由最佳到最差進(jìn)行了排列，如表3 所示［93-99］。點(diǎn)火延遲時(shí)間和火焰速度重現(xiàn)性最 好的機(jī)理是Kéromnès-2013，其次是Starik-2009和GRI3.0-1999。而射流攪拌反應(yīng)器（Jet-Stirred Reactor，JSR ）試驗(yàn)和流動(dòng)反應(yīng)器型線分別用GRI3.0-1999和Starik-2009 重現(xiàn)性最好。在表3 的反應(yīng)機(jī)理中，Kéromnès-2013 的預(yù)測(cè)精度最高，其次是NUIGNGM-2010、OEConaire-2004、Konnov-2008和Li-2007［92］。

表3 氫燃燒機(jī)理對(duì)比Table 3 Comparison of hydrogen combustion mechanisms

2.4 微混燃燒試驗(yàn)

燃燒試驗(yàn)可對(duì)燃燒過程進(jìn)行觀測(cè)和分析，通過測(cè)量燃燒室內(nèi)的溫度、壓力、速度和組分等參數(shù)，獲取更為詳細(xì)和準(zhǔn)確的燃燒反應(yīng)信息［100-102］，可全面了解燃燒過程。此外，燃燒試驗(yàn)還可以提供燃燒室內(nèi)壁面溫度、氧化物和氮氧化物等有害物質(zhì)的生成和排放信息［103］。燃燒試驗(yàn)與數(shù)值仿真相輔相成，相互支撐，可為燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用提供重要的支持。

伊利諾伊大學(xué)在4×4 旋流微混陣列原理試驗(yàn)件上進(jìn)行了不同摻氫比例的火焰形態(tài)、壓力脈動(dòng)測(cè)試，如圖23 所示，研究發(fā)現(xiàn)摻氫比例可顯著增強(qiáng)原天然氣的火焰中的OH基，縮短火焰長(zhǎng)度，增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，拓寬熄火邊界［61］。其中，XH2表示氫氣的體積分?jǐn)?shù)。

圖23 摻氫比例對(duì)火焰形態(tài)影響［61］Fig.23 Effects of hydrogen addition on flame［61］

文獻(xiàn)［62］在旋流-橫向射流微混器上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了4 種燃料（氫氣、甲烷、丙烷、航空煤油）的火焰宏觀結(jié)構(gòu)、氮氧化物排放和壓力脈動(dòng)情況。在進(jìn)氣壓力為0.1 MPa、進(jìn)氣溫度為950～1 000 K 的條件下，當(dāng)Damkohler 數(shù)在臨界值以下時(shí)，氮氧化物可以降低到預(yù)混水平。在低進(jìn)氣溫度和低Damkohler 數(shù)時(shí)，碳基燃料容易發(fā)生熱聲不穩(wěn)定問題，而氫氣反應(yīng)速度較快，火焰比較穩(wěn)定。在0.1 MPa和950 K 的條件下，所有燃料燃燒的氮氧化物排放<10×10-6（15% 含氧量）。

亞琛大學(xué)在橫向射流微混擴(kuò)散研究30 多年基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)發(fā)展到了第6 代微混燃燒室。在環(huán)境壓力下，該燃燒室以100%氫氣為燃料進(jìn)行了燃燒原理試驗(yàn)［71-72］，如圖24 所示，測(cè)得氮氧化物排放<2.5×10-6（15%含氧量）?；跀?shù)值分析和低壓試驗(yàn)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，亞琛大學(xué)在輔助動(dòng)力裝置Honeywell/Garrett GTCP 36-300 上進(jìn)行了全尺寸氫氣微混燃燒室的工程驗(yàn)證［71］。高壓試驗(yàn)表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速、慢車以及慢車與主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)（Main Engine Start，MES）模式之間的負(fù)荷變化過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且在全工況范圍內(nèi)氮氧化物排放<10×10-6，如圖25 所示，證明了該方案在低排放應(yīng)用方面的潛力。2020年，該方案在川崎公司的2 MW 燃機(jī)上進(jìn)行了全工況、全尺寸整機(jī)測(cè)試［43］，如圖26 所示?；陔p燃料分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)方案，在全工況運(yùn)行條件下，NOx排放<35×10-6（16%含氧量），如圖27 所示。

圖24 亞琛大學(xué)微混原理試驗(yàn)件和測(cè)試方案［72］Fig.24 Micromix combustor and test scheme of Aachen University［72］

圖25 亞琛大學(xué)Honeywell/Garrett GTCP 36-300 全尺寸微混燃燒室試驗(yàn)結(jié)果［71］Fig.25 Aachen University full-scale gas turbine combustion chamber test on Honeywell/Garrett GTCP 36-300［71］

圖26 亞琛大學(xué)微混燃燒室在川崎2 MW 燃機(jī)上整機(jī)驗(yàn)證［43］Fig.26 Application of micromix combustor of Aachen University on KHI 2 MW gas turbine engine［43］

圖27 亞琛大學(xué)微混燃燒室整機(jī)驗(yàn)證排放結(jié)果［43］Fig.27 NOx emissions of engine test of Aachen University［43］

英國克蘭菲爾德大學(xué)開發(fā)了氫燃燒的試驗(yàn)平臺(tái)，用于測(cè)試橫向射流微混擴(kuò)散燃燒室，壓力高達(dá)1.5 MPa，進(jìn)口溫度可達(dá)600 K，當(dāng)量比達(dá)0.5。該試驗(yàn)平臺(tái)可以測(cè)量NOx排放、火焰宏觀結(jié)構(gòu)和火焰?zhèn)鬟f函數(shù)［104］，如圖28 所示。

圖28 克蘭菲爾德大學(xué)原理試驗(yàn)件和試驗(yàn)裝置［46，104］Fig.28 Micromix combustor and test rig of Cranfield University［46，104］

美國GE 公司對(duì)微混預(yù)混燃燒器進(jìn)行了尺寸放大，如圖29 所示［56］，并進(jìn)行了全尺寸單個(gè)噴嘴的光學(xué)測(cè)試，以獲取火焰的宏觀結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，如圖30所示［56］。在1.7 MPa和停留時(shí)間33 ms的條件下，純氫氣燃燒的氮氧化物排放<4×10-6（15%含氧量），如圖31 所示［56］。在全環(huán)試驗(yàn)中，100% 空氣進(jìn)口條件下，NOx排放最低為8×10-6。由于傳熱、冷卻和漏氣等因素導(dǎo)致燃燒區(qū)和出口溫度升高。但當(dāng)在空氣中摻入20%的N2時(shí)，NOx排放不超過3×10-6（15% 含氧量），如圖32 所示［56］，其原因是摻入N2后，氧含量降低，使得燃燒過程中的氧與燃料之間的反應(yīng)速率降低。這樣可以減緩燃料的氧化速度，降低火焰溫度，氮氧化物排放顯著降低，另一個(gè)原因是排氣中減少的O2濃度使得NOx換算為15%含氧量后的數(shù)值減小［56］。

圖29 GE 微混試驗(yàn)件和試驗(yàn)裝置［56］Fig.29 GE micromix combustion and test rig［56］

圖30 GE微混火焰結(jié)構(gòu)特征含2%～4%CH4［56］Fig.30 GE micromix combustion flame structure with 2%-4% CH4［56］

圖31 GE 公司微混燃燒單噴嘴全尺寸試驗(yàn)結(jié)果［56］Fig.31 NOx emission of micromix combustion nozzle of GE［56］

圖32 GE 微混燃燒全環(huán)試驗(yàn)結(jié)果［56］Fig.32 NOx emission of micromix combustion wholering of GE［56］

NASA 基于9 通道微預(yù)混試驗(yàn)件［105］，在環(huán)境壓力下開展了火焰宏觀測(cè)試和OH 基平面激光誘導(dǎo)熒光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）試驗(yàn)，以研究火焰穩(wěn)定性和火焰鋒面，如圖33和圖34 所示。該試驗(yàn)件通道直徑為6.72 mm，氫氣孔徑為0.906 mm，內(nèi)置于微混通道徑向?qū)ΨQ分布。采用丙酮作為示蹤粒子，因其在1 200 K 時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，只能在非燃燒流動(dòng)下測(cè)試摻混情況，氫氣則用摻有丙酮的空氣替代。圖35 給出了不同當(dāng)量比下的火焰宏觀結(jié)果，可以看出隨著當(dāng)量比的降低，火焰根部被吸附在頭部位置，各個(gè)通道形成的火焰相互獨(dú)立，燃燒趨向不穩(wěn)定。

圖33 NASA 微混燃燒實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)件［105］Fig.33 Micromix combustion injector of NASA［105］

圖34 NASA 微混燃燒試驗(yàn)件氫氣孔局部放大圖［105］Fig.34 Enlarged view of micromix combustion injector［105］

圖35 NASA 微混燃燒火焰宏觀結(jié)構(gòu)［105］Fig.35 Flame structure of NASA micromix combustion injector［105］

本文將國內(nèi)、外微混燃燒研究方案進(jìn)行對(duì)比，包含研究機(jī)構(gòu)、摻混方式、進(jìn)氣條件、燃料種類和NOx水平，見 表4［43，48，51，56，61，64-65，73，106］?？?以看出，國外已經(jīng)完成了從原理試驗(yàn)到工程應(yīng)用，在污染物排放抑制中有很大成效。例如，可以通過氮?dú)庀♂尶諝獾姆绞浇档突鹧鏈囟龋M(jìn)而降低NOx生成，GE 采用微通道多管混合器，NOx<3×10-6（15%含氧量）；亞琛大學(xué)與日本川崎采用微混擴(kuò)散燃燒，在2 MW 燃機(jī)上驗(yàn)證，NOx<35×10-6（16%含氧量）。

表4 微混燃燒試驗(yàn)研究對(duì)比Table 4 Comparison of micromix combustion test results

2.5 微混燃燒熱聲不穩(wěn)定

文獻(xiàn)［57，62，73，81，105］均發(fā)現(xiàn)了氫氣微混燃燒會(huì)伴隨著熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重的熱聲振蕩會(huì)對(duì)燃燒室造成損壞，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。因此，有必要對(duì)氫燃燒熱聲振蕩發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入研究。早在1878年，Rayleigh 準(zhǔn)則［107］明確了燃燒不穩(wěn)定性問題的發(fā)生機(jī)理，主要原因是流動(dòng)、燃燒非定常熱釋放和聲波之間的相互作用，如圖36 所示［108］，即流動(dòng)的擾動(dòng)會(huì)引起熱釋放脈動(dòng)。當(dāng)熱釋放與聲波同相位時(shí)，熱聲耦合，聲能量急劇增加，若聲場(chǎng)獲得的能量大于耗散量，將發(fā)生共振現(xiàn)象［109］。而氫氣微混燃燒產(chǎn)生的小尺度火焰系綜容易受到高頻燃燒不穩(wěn)定性的影響［110］，因此，燃燒不穩(wěn)定性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制將是至關(guān)重要的。實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性可通過以下2 個(gè)方面控制：一是主動(dòng)控制，即削弱燃燒室系統(tǒng)的熱聲耦合問題；二是被動(dòng)控制，即增加燃燒室系統(tǒng)的聲學(xué)耗散［111］。

圖36 熱聲不穩(wěn)定性反饋周期［108］Fig.36 Feedback cycle for thermoacoustic instabilities［108］

國內(nèi)外學(xué)者在氫燃燒熱聲振蕩方面開展了一系列研究。然而，與甲烷-空氣火焰相比，氫氣燃燒不穩(wěn)定性的試驗(yàn)難度要大，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在最近才開始在文獻(xiàn)中報(bào)道。文獻(xiàn)［112-113］發(fā)現(xiàn)相對(duì)于甲烷-空氣火焰同一火焰溫度下，氫氣微混火焰的高階聲模態(tài)優(yōu)先被激發(fā)，在極短距離內(nèi)存在更強(qiáng)的縱向振蕩，火焰表面湮滅是強(qiáng)噪聲產(chǎn)生的主要原因。熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象與噴射孔徑之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。一般而言，較小尺寸火焰的系綜更優(yōu)先耦合到較高頻率的聲學(xué)模態(tài)。熱聲響應(yīng)可隨燃燒室長(zhǎng)度的變化重復(fù)出現(xiàn)。如圖37 所示［112-113］，保持氫氣預(yù)混噴射器面積不變，發(fā)現(xiàn)噴射孔徑不同時(shí)，均在3 階和4 階模態(tài)下發(fā)生了明顯的熱聲振蕩，幅值也基本相當(dāng)。小孔徑的方案在400 Hz 以下的低頻區(qū)域較為穩(wěn)定，在1 800 Hz 附近發(fā)生了高頻熱聲不穩(wěn)定，而大孔徑方案在此頻率下較為穩(wěn)定。這表明小尺度氫火焰系綜在4 倍極限環(huán)振蕩頻率范圍以內(nèi)可以保持穩(wěn)定，但容易受到高頻燃燒不穩(wěn)定性的影響。

圖37 噴注直徑對(duì)微混預(yù)混火焰燃燒不穩(wěn)定性的影響［112-113］Fig.37 Effect of jet diameter on combustion instability of micromix premixed flame［112-113］

文獻(xiàn)［114］開展了常壓下?lián)綒浼淄槿剂衔㈩A(yù)混火焰燃燒不穩(wěn)定性試驗(yàn)研究。如圖38 所示［114］，在氫含量為10%和20%時(shí)，預(yù)混火焰出現(xiàn)振蕩燃燒現(xiàn)象，且激發(fā)更高階的諧波；在更高氫含量下微混火焰出現(xiàn)高頻脈動(dòng)，但幅值較低。發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)都表現(xiàn)為與整體脈動(dòng)主頻相同的體積振蕩，二階模態(tài)都表現(xiàn)為軸向脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率是主頻的2倍。隨著氫含量進(jìn)一步升高，軸向模態(tài)漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛鹧骈g相互作用。

圖38 10%和20%氫含量時(shí)的OH 強(qiáng)度和前兩階模態(tài)［114］Fig.38 OH intensity and first two modes at 10% and 20% hydrogen content［114］

昌運(yùn)鑫等［29］在北京航空航天大學(xué)BASIS 燃燒器開展了富氫甲烷燃燒振蕩問題研究。發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)當(dāng)量比的工況，富氫甲烷火焰都處于同一模態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生燃燒振蕩。然而，當(dāng)主燃級(jí)當(dāng)量比為0.60 與0.55時(shí)，富氫甲烷火焰脈動(dòng)振幅隨摻氫比加大，先增后減，分別有42%和32%的工況發(fā)生燃燒振蕩。需要將主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)設(shè)置的非常貧油才能保證大摻氫功率的穩(wěn)定燃燒。

Cao等［115］開展了蒸汽稀釋微混合氫火焰演化、頻率及振蕩特性試驗(yàn)研究，研究了不同當(dāng)量比和蒸氣含量對(duì)放熱量和熱聲穩(wěn)定性的影響，圖39為動(dòng)態(tài)模式分解（Dynamic Mode Decomposition，DMD）得到的主要模態(tài)和對(duì)應(yīng)的OH-PLIF圖。發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比φ 為0.4時(shí)，水的摩爾體積分?jǐn)?shù)D 為25%時(shí)，振蕩發(fā)生在CRZ區(qū)，而增大到0.5時(shí)，則不穩(wěn)定區(qū)域開始向火焰臂區(qū)（Flame Arm Zone，F(xiàn)AZ）和火焰尾帶（Flame Tail Zone，F(xiàn)TZ）發(fā)展，呈現(xiàn)雙葉膨脹型。當(dāng)量比增加到0.8時(shí)，振蕩頻率為213 Hz，與熱釋放頻率217 Hz 非常接近，說明葉型的臂區(qū)是熱聲振蕩的主要發(fā)生區(qū)域。此現(xiàn)象發(fā)生在蒸氣含量25%時(shí)，當(dāng)蒸氣含量增加或減少，OH質(zhì)量濃度會(huì)發(fā)生明顯變化，未發(fā)現(xiàn)周期性振蕩。

圖39 DMD 模態(tài)和對(duì)應(yīng)的OH-PLIF圖［115］Fig.39 DMD mode and corresponding OH-PLIF image［115］

3 微混擴(kuò)散燃燒室設(shè)計(jì)

與氫氣微混預(yù)混燃燒相比，微混擴(kuò)散燃燒的NOx排放較高，設(shè)計(jì)難度較大，為此，梳理總結(jié)了微混擴(kuò)散燃燒設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，包括徑向和周向孔間距、孔徑、孔型、空氣通道面積和混合區(qū)長(zhǎng)度等。在典型的橫向射流擴(kuò)散燃燒中，這些參數(shù)會(huì)影響動(dòng)量通量比，進(jìn)而影響氫氣的穿透深度、火焰的形狀和駐留位置，最終影響燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間和NOx的生成。動(dòng)量通量比的定義如式（4）［116］所示，動(dòng)量通量比越大，氫氣對(duì)主流空氣的穿透力越大，因此在垂直方向上混合越充分。

式中：J 為動(dòng)量通量比；ρj為氫氣密度；ρ∞為空氣密度；uj為氫氣速度；u∞為空氣速度。

穿透深度是微混燃燒中的一個(gè)重要參數(shù)，影響火焰結(jié)構(gòu)和NOx排放，受到了業(yè)界學(xué)者的廣泛研究。Lefebvre［116］總結(jié)了橫流中射流的穿透軌跡和穿透深度計(jì)算如式（5）所示。該式表明射流穿透深度隨著下游距離的增加而不斷增大。

式中：Y 表示穿透距離；Dj表示氫氣孔徑；J 為動(dòng)量通量比；X 表示橫向距離。

在實(shí)際中，射流深度會(huì)在其噴射點(diǎn)下游相當(dāng)短的距離內(nèi)達(dá)到最大值。對(duì)于單個(gè)和多個(gè)圓形射流孔的最大射流穿透深度，Lefebvre［116］推薦分別采用式（6）和式（7）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ymax為射流穿透深度最大值；θ 為射流角度。

式中：mg為燃?xì)饬髁?；mj為射流的氫氣流量。

文獻(xiàn)［45］總結(jié)了射流穿透深度的無量綱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如式（8）所示。

式中：yn，j為無量綱穿透深度；hgate為空氣射流孔高度；φj為工況j 點(diǎn)時(shí)的當(dāng)量比；φdp為設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)的當(dāng)量比。

此外，Holdeman［117］通過試驗(yàn)總結(jié)了射流穿透軌跡并可用式（9）來描述。

微混擴(kuò)散燃燒的燃料混合時(shí)間尺度也對(duì)NOx生成有重要影響［118］?；旌蠒r(shí)間如式（10）所示，氫氣和空氣的摻混時(shí)間與結(jié)構(gòu)尺寸成正比，可表示為噴射孔徑、當(dāng)量比、密度比的關(guān)系式［119］，可見，通過減小孔徑和增加射流速度，縮短混合時(shí)間，抑制NOx生成。

式中：τm為混合時(shí)間；Ψs為燃料化學(xué)計(jì)量比。

3.1 氫氣孔徑

氫氣孔徑直接影響射流穿透深度，從而影響火焰駐留位置。當(dāng)氫氣孔徑變大時(shí)，氫氣在燃燒室中的噴射速度會(huì)減慢。同時(shí)，由于氫氣分子量最小，其運(yùn)動(dòng)慣性也較小，導(dǎo)致其在流場(chǎng)中的擴(kuò)散速度較慢。因此，氫氣較難與高速主流混合，氫氣射流的穿透深度也相應(yīng)減小，過大的孔徑會(huì)導(dǎo)致氫氣在邊界層內(nèi)發(fā)生燃燒，導(dǎo)致回火問題。相反，當(dāng)氫氣孔徑減小時(shí)，氫氣的速度增加，氫氣射流的穿透深度也相應(yīng)增大，容易穿過剪切層并在回流區(qū)中燃燒，增加了燃?xì)怦v留時(shí)間，NOx排放增加。因此，通過調(diào)整氫氣孔徑，可以有效地控制射流的穿透深度，從而實(shí)現(xiàn)火焰位置和尺寸的合理控制，最終達(dá)到縮短燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間、減小火焰尺度、降低氮氧化物排放目的。

亞琛大學(xué)針對(duì)氫氣孔徑開展了火焰形態(tài)測(cè)量，當(dāng)氫氣孔徑由0.45 mm 增大為0.55 mm時(shí)，燃燒會(huì)發(fā)生在外回流區(qū)，如圖40 所示，導(dǎo)致火焰集中和尺寸增大，從而不利于降低NOx排放［47］。同時(shí)，外回流區(qū)溫度過高，會(huì)增加火焰筒壁面的熱負(fù)荷，此時(shí)空氣需要以更高的速度繞過火焰，入射到外回流區(qū)，對(duì)壁面冷卻。內(nèi)外回流區(qū)有阻隔相鄰火焰高溫傳遞的作用，因此理想情況下，兩者內(nèi)部應(yīng)無高溫區(qū)，盡可能保證高溫區(qū)主要集中在剪切層內(nèi)。

圖40 不同孔徑火焰形態(tài)［47］Fig.40 Flame structure of different hydrogen hole diameters［47］

亞琛大學(xué)還建立了微混燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，如圖41 所示，總結(jié)穿透深度臨界值yn，j，圖41中PD 為功率密度，BRAGP為空氣導(dǎo)流板的阻塞比，S 為噴射孔間距，dAGP為內(nèi)導(dǎo)流板高度，DAGP為外導(dǎo)流板高度。當(dāng)式（8）穿透深度等于臨界深度時(shí)，可有效保證火焰恰好駐留在內(nèi)、外回流區(qū)之間剪切層內(nèi)，如圖17（a）所示的溫度分布，最終達(dá)到縮短燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間、降低氮氧化物排放的目的。

圖41 亞琛大學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程［45］Fig.41 Design framework of micromix combustor optimization from Aachen University［45］

為了保證氫氣與空氣的充分混合，需要適當(dāng)減小氫氣孔徑以促進(jìn)氫氣射流穿透能力，減小混合時(shí)間尺度。然而，過小的氫氣孔徑將需要更多數(shù)量的噴孔，這給實(shí)際工藝帶來了難度。因此，只能降低到合理的制造極限，以便在滿足氮氧化物排放的同時(shí)，保證工藝的可行性。

3.2 射流孔型

氫氣和空氣的射流孔型也是微混燃燒室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。射流孔型直接影響著湍流燃燒特性，包括摻混效果、流場(chǎng)渦流結(jié)構(gòu)、以及火焰形態(tài)、駐留位置、溫度分布等。因此，在微混燃燒室的設(shè)計(jì)過程中，射流孔型是不可忽視的一個(gè)主要參數(shù)。文獻(xiàn)［73］表明，空氣孔的不同形狀會(huì)直接影響回流區(qū)尺寸和火焰駐留位置。如圖42 所示，發(fā)現(xiàn)橢圓形孔5和跑道型孔6 的應(yīng)用可以使火焰穩(wěn)定在剪切層內(nèi)，同時(shí)內(nèi)回流區(qū)的溫度也得到了有效的降低。此外，氮氧化物的生成也發(fā)生在剪切層內(nèi)。

圖42 不同空氣射流孔型的流場(chǎng)和溫度分布Fig.42 Flow field and temperature of different injection hole types

合理的射流孔型可以有效地提高燃燒效率、減小火焰尺度、降低氮氧化物排放，并且具有較好的工藝性能。在實(shí)際工程中，通常采用圓形、橢圓形或方形等不同形狀的射流孔型，以實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒性能和工藝性能。

3.3 微混單元間距

微混單元間距對(duì)相鄰單元的流場(chǎng)、火焰尺寸和位置有重要影響。當(dāng)孔間距增大時(shí)，可防止相鄰火焰聚合形成大尺寸火焰，保證火焰尺寸較小，縮短燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間。

文獻(xiàn)［120］基于橫向射流原理，探究了徑向單元間距對(duì)NOx排放的影響。研究結(jié)果表明，隨著單元間距的增加，內(nèi)回流區(qū)的氣動(dòng)流動(dòng)空間增大，幾乎充滿整個(gè)燃燒室，整體溫度水平有所降低，說明主流內(nèi)參與燃燒的空氣量相對(duì)增加，局部當(dāng)量比減小，可降低火焰溫度和NOx排放。其中，相比于空氣徑向孔間距，氫氣徑向孔間距對(duì)溫度場(chǎng)和NOx的影響更加顯著。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放提供支撐。在此基礎(chǔ)上，提出了基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的（Design of Experiment，DOE）多目標(biāo)優(yōu)化方法，可識(shí)別影響NOx生成的敏感參數(shù)，并獲得性能最優(yōu)的燃燒室方案。

然而，對(duì)于甲烷摻氫預(yù)混混合器，縮短孔間距有利于拓寬燃燒穩(wěn)定邊界，伊利諾斯大學(xué)［57-61］在旋流微混陣列單元試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)混合單元密集排布時(shí)熄火邊界拓寬8.8%，火焰溫度升高56.4 K，同時(shí)釋熱波動(dòng)更小，熱聲阻尼更好。

4 總結(jié)與展望

氫燃燒已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，國外的研究已經(jīng)從原理試驗(yàn)進(jìn)入集成驗(yàn)證和整機(jī)應(yīng)用階段。國內(nèi)在氫燃燒尤其是面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的研究仍處于仿真機(jī)理研究和原理試驗(yàn)階段，尚需要進(jìn)行大量的探索和應(yīng)用驗(yàn)證。本文回顧了國內(nèi)外近30 年的氫氣微混燃燒技術(shù)研究進(jìn)展，從燃燒機(jī)理、摻混方式、NOx影響因素和控制措施方面開展了綜述，獲得如下結(jié)論：

1）流動(dòng)燃燒機(jī)理

氫氣具有密度低、燃燒速度快、火焰溫度高特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)預(yù)混燃燒組織方式容易出現(xiàn)回火、燃燒振蕩，如果進(jìn)口參數(shù)高易發(fā)生自燃。為了規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)，采用氫氣微混燃燒組織方式，即通過微通道混合，將大尺度火焰轉(zhuǎn)化為多個(gè)微小尺度火焰，增強(qiáng)空氣和氫氣的局部摻混強(qiáng)度，進(jìn)而提升混合均勻度。其優(yōu)點(diǎn)是小尺度火焰，顯著縮短了停留時(shí)間，并避免了回火問題。然而，由于噴孔數(shù)量眾多，使得管路布局復(fù)雜、加工難度增大，可考慮增材制造工藝結(jié)合電火花加工和精密機(jī)加工等手段實(shí)現(xiàn)氫微混燃燒技術(shù)的工程應(yīng)用。

2）氫氣和空氣摻混方式

氫微混燃燒主要是通過射流渦耦合其他形式渦流來增強(qiáng)主流擾動(dòng)和摻混。射流-橫流是最為常見的摻混方式，氫氣垂直入射，在橫向來流作用下，形成1 對(duì)射流渦，通過卷吸主流空氣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，增強(qiáng)了氫氣在湍流旋渦中的擴(kuò)散，提升了摻混強(qiáng)度和摻混效率。其他摻混方式是在射流-橫流的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加旋流或擾流，加強(qiáng)摻混。例如“小杯”內(nèi)旋流混合、通道內(nèi)的同流混合、多孔介質(zhì)混合、螺紋回路混合等。

3）氮氧化物排放

氮氧化物生成時(shí)，在小于平衡態(tài)的反應(yīng)過程中，核心的影響變量為反應(yīng)區(qū)溫度，其與氮氧化物排放呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。其次為氧濃度、氮?dú)鉂舛纫约巴Ａ魰r(shí)間。因此，可以在空氣中增加氮?dú)庖越档脱鯕夂?，使反?yīng)區(qū)內(nèi)單位體積的可利用氧氣量大幅降低，進(jìn)而降低火焰溫度，減少氮氧化物生成，且在換算為15%氧含量時(shí)，NOx數(shù)值減小。同時(shí)，可以通過增強(qiáng)氫氣與空氣之間的摻混，防止局部燃料過富問題，進(jìn)而減少火焰局部熱點(diǎn)。通過微混合減小火焰尺寸，縮短高溫燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間。

4）氫氣微混燃燒技術(shù)難點(diǎn)

不同的燃燒方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。氫氣微混燃燒技術(shù)可將燃料與空氣預(yù)先均勻混合，降低NOx排放。GE 公司通過采用多管預(yù)混噴射器在1.7 MPa 全環(huán)試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了NOx排放<3×10-6（15%含氧量），然而預(yù)混方式最大問題是存在回火風(fēng)險(xiǎn)，易引發(fā)安全問題；而微混擴(kuò)散燃燒方式雖避免了回火風(fēng)險(xiǎn)，但燃料與空氣的混合程度降低，且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載突然變化時(shí)，燃料噴注可能會(huì)有一定的延遲，導(dǎo)致燃料與空氣的比例失衡，影響燃燒的穩(wěn)定性和混合質(zhì)量。因此微混擴(kuò)散燃燒有變負(fù)荷適應(yīng)差、穩(wěn)燃范圍窄、NOx排放偏高的缺點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求、環(huán)境限制和技術(shù)可行性等因素進(jìn)行綜合考慮。

5）氫氣微混燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著對(duì)清潔能源和低碳經(jīng)濟(jì)的需求不斷增加，氫氣微混燃燒技術(shù)因具有零碳排放和低NOx排放潛力也將不斷發(fā)展。通過微混燃燒技術(shù)難點(diǎn)分析，未來微混燃燒結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)更小，以提高燃料和空氣噴射速度，有效防止回火，縮短燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間，提升混合充分性。在現(xiàn)有射流-橫流混合、旋流鈍體混合、通道內(nèi)的同流混合、多孔介質(zhì)混合、螺紋回路混合等微通道混合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，未來的發(fā)展方向?qū)⑹沁M(jìn)一步增強(qiáng)旋流或擾流。例如以上混合結(jié)構(gòu)的多種組合方式，以形成更強(qiáng)的流向渦強(qiáng)度和更低的渦流軸向流速，從而增加燃料和空氣的混合程度。此外，可適當(dāng)結(jié)合分級(jí)燃燒技術(shù)，通過分階段控制氫氣和空氣供應(yīng)，調(diào)節(jié)混合區(qū)當(dāng)量比和燃燒溫度，提高燃燒穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)超低NOx生成。

另一方面，應(yīng)充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的優(yōu)勢(shì)，集中國內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量和資源，開展氫燃燒設(shè)計(jì)技術(shù)研究，重點(diǎn)圍繞氫燃燒室的地面集成驗(yàn)證和飛行驗(yàn)證，深入推進(jìn)氫氣基礎(chǔ)燃燒科學(xué)發(fā)展和工程應(yīng)用，為零碳低氮排放和氫動(dòng)力的發(fā)展提供有力支撐。