回流与火焰拉伸对氢气微尺度燃烧的影响

对于微型燃料电池而言，微型燃烧器是一个非 常关键的部件．然而，普通的微型燃烧器的比表面 积大，燃烧器的热损失也较大，且壁面自由基的捕 获能力相对较弱，因此燃烧稳定性往往较低，容 易熄火．为获得稳定性更强、适用范围更广的微型 燃烧器，国内外很多机构开展了较多的研究． 目前，达成共识的燃烧器稳焰方案可大体上分 为两种．一种是改变燃烧器的热量传递过程，尽量 减少热量损失，并增加热量循环和回收．例如，学 界早期提出的瑞士卷式的微型燃烧器．在这种燃 烧器中，燃料从中心流入，顺着环形火道向外流动， 外层燃烧的高温烟气通过壁面导热不断加热内层未 燃气体，从而形成燃烧器内部热循环以达到稳焰目 的．北京中惠普分析技术研究所设计了一种采用上下两侧燃料进口、火 道前段设置预热板的燃烧器结构．这种燃烧器利用 中间火道内燃烧的热量来预热两侧输入的相对较冷的混合燃料气体，从而使火道内燃烧更稳定．例如， 提出的在火道两侧墙壁设计一段空腔的结 构．在这种结构中，火道两侧的空腔有助于增加混 合气体在火道内的滞留时间，从而提高燃烧稳定性．

1 模拟计算方法
1.1 几何模型
本研究的微型燃烧器的结构．将采实验作为基准工况．燃烧器的火道总 长(L1)为 16 mm，宽(H)为 1 mm，两侧壁厚(H1)为 1 mm．火道内置一个等腰三角形钝体，钝体的垂直边 到火道入口距离(L2)为 1 mm．为研究阻塞比的影响， 将等腰三角形钝体底边(d)从 0 mm 逐渐增大至 0.8 mm．这里定义阻塞比为 δ=d/H．为简便讨论。

1.2 数值模型及化学机理
当雷诺数大于 500 时，应使用 湍流流动模型来预测微型燃烧器内的气体流动及燃 烧过程．对燃烧器结构，当进口气体速度达到 10 m/s 时，雷诺数就已超过 500，因此采用湍流流动模型 模拟燃烧器内的燃烧过程．采用可实现的 k-ε 湍流 模型模拟流动过程． 北京中惠普氢气发生器氢气燃烧机理采用得出的详细化学反应机理．该机理共包括 13 种反应组分和 19 步可逆 的基元反应．气体组分及中间自由基等物质的热力 学、扩散性质机理文件从 CHEMKIN 数据库中获 取．文献[6]的实验采用了特殊的加工使微型燃烧器 的内表面变成惰性表面，因此本文模拟亦不考虑固 体表面的化学反应。

2 模型验证
为验证所选的数值模型，首先根据的实 验条件，模拟了阻塞比为 0.5 的钝体燃烧器内的燃 烧状态．氢气-空气当量比(  )为 0.4，0.5 和 0.6．对 于某一当量比和结构的燃烧器，氢气空气混合物的 熄火极限的寻找过程及判定标准如下：燃料进口速 度从某一个较小速度开始逐步增大，当该速度增大 到一定的程度(vlim)时，若火道内最高温度仅为燃料/ 空气初始进口温度(300 K)，则认为 vlim为空气燃料 混合物的熄火极限．结果一致，而且与实验的相对误差为 5.2%， 5.0%和 5.8%，均小于 10%．值得一提的是，文献[6] 也得到了类似的模拟结果，其相对误差在 5.3%～ 12.2%之间；因此，本研究所采用的结果能较好地模 拟出微尺度燃烧器内的流场以及燃烧特性．

3 结果与讨论
3.1 熄火极限
这里模拟了当量比为 0.5 的氢气/空气混合物在内置钝体的燃烧器中的燃烧情况，其中燃烧器的结构采用了 0～0.8 的阻塞 比，并且在每种阻塞比下，对不同的进口速度逐一 进行了计算，从而获得了不同阻塞比下的熄火极限．

3.2 稳焰机理
钝体稳焰的原理是内置钝体能以类似圆柱绕流 的方式来扰动微型燃烧器火道内的流场．流体通过 钝体时会产生一个速度相对主流区速度稍小的回流 区．在回流区内，x 方向上速度与主流速度相反， 在数值上体现为负数．通过回流，下游燃烧产生的 关键组分(如 OH，H 等自由基)、热量可返回回流区 并加速链式反应，从而使钝体后的区域维持稳定燃 烧，达到稳焰的目的．

4 结论
通过数值模拟研究了内置不同尺寸钝体的微型 燃烧器中的氢气/空气混合物的燃烧状态．首先，本 文的数值模拟结果基本与文献实验结果一致，相对 误差在10%以内．随后，通过改变钝体阻塞比(δ)， 研究了流场回流与反应区拉伸对氢气/空气混合物 的燃烧极限的影响．基于研究结果，可得结论如下．
a. 在内置钝体的燃烧器内，氢气/空气混合物的 燃烧极限随着 δ 的增大呈非单调变化．换言之，燃 烧极限先随 δ 增大而增大，当 δ=0.5 时，燃烧极限 达到极大值，随后开始缓慢减小．
b. 氢气/空气混合物流过钝体时，会产生较大 压力损失．该压损随着阻塞比的增大而不断增大．然 而，当 δ＞0.5 时，熄火极限随 δ 增大而减小；因此， 在进行微尺度燃烧设计时，应对压力损失给予充分 考虑，避免不必要的压力损失．
c. 通过对流场结构、中间关键组分分布、墙壁 散热率等因素的分析可知，流场对内置钝体的微型 燃烧器中的氢气/空气混合物的燃烧极限影响最 大．一方面，钝体的存在使下游燃烧的热量及中间 组分返回至钝体后的小区域，这有利于燃烧；另一 方面，因钝体的阻塞作用，通过钝体截面的气体流 速加大，使钝体附近速度梯度增大，从而拉伸火焰 反应区，不利于燃烧的稳定．燃烧能否稳焰取决于 这两个因素的更强者．显然，当 δ≤0.5 时，回流占 主导作用，因此燃烧极限随着钝体的 δ 增大而增大； 当 δ＞0.5 时，火焰拉伸更重要，因此燃烧极限随着 钝体的 δ 增大而逐渐减小．
d. 当采用内置钝体提高微尺度燃烧器极限时 须考虑阻塞比的影响，应在反应区回流与火焰拉伸 两个因素之间找到平衡．针对本文的结构，δ=0.5 是相对最优的结构．