氢，作为一种燃料，具有化学活性高、清洁零碳的显著优势。向传统碳氢燃料中混入氢气，不仅仅是调整燃烧稳定性的有效手段，也是提升燃烧效率，降低燃烧过程碳排放的潜在途径之一，受到学术界和工业界的广泛关注。本研究针对不同混氢比例的富氢燃料气，结合激光诊断方法，研究了层流和湍流条件下受拉伸火焰面的熄火特性，考察了氢引发的化学活化作用、优先扩散作用和热作用对熄火特性的影响。本研究的结果为富氢燃气在燃烧设备中的安全使用提供了理论指导。

研究方法

本研究采用了对冲火焰试验和模拟方法。对冲火焰系统由两个对称布置的喷嘴组成，其中一个喷嘴喷出氮气，另一个喷嘴喷出燃料和空气的混合物，在喷嘴的外周使用氮气作为伴流气流保护流场。在两个喷嘴之间的间隙中，由于气流碰撞产生扩张流动，点燃燃料和空气的混合物后，即可在两个喷嘴之间形成类似平面的火焰面结构。通过格栅的方法调整流场，即可获得不同湍流度的预混火焰面。通过调整当量比、气流速度、湍流度等参数，实验可获得不同操作条件下的熄火极限。本研究还专门开展了数值模拟研究，分析不同操作条件下的熄灭拉伸率差异的原因。

图1 对冲火焰实验中形成的层流和湍流预混火焰面

成果简介

在图1中，层流预混火焰面呈现出近乎平面的燃烧状态，火焰面稳定，相比于层流预混火焰而言，湍流预混火焰的火焰面呈现复杂的褶皱和弯曲变形，湍流流动的扰动对于火焰面的形态产生了较大的影响。

图2 熄灭拉伸率实验结果与模拟结果

在图2中，将混氢比例较高和将混氢比例较低的两种富氢燃料气预混火焰的实验和模拟结果进行对比，图中点为实验结果，线为模拟结果，结果表明：在当量比小于1时，两种燃料熄火特性差异很大，相同当量比下，混氢比例较高的富氢燃料气熄灭拉伸率明显较高，两种气体熄灭特性的结果差异会随着当量比接近于1而变大，说明适当提高混氢比例能够使得预混火焰燃烧更稳定，不至于发生流场拉伸导致熄火现象。湍流火焰呈现与层流火焰相同的趋势，但熄灭特性的数值远低于层流火焰。综上所述，对于工程中的燃烧过程而言，在燃料中适量混入氢气，对于防止燃烧熄火，提高燃烧的稳定性是一种具有前景的途径。

图文导读

视频1 层流对冲火焰燃烧拉伸熄灭过程

视频2 湍流对冲火焰燃烧状态

视频3 对冲流场PIV实验

课题组简介

清华大学能源与动力工程系张扬副教授课题组长期从事先进动力设备中的燃烧关键技术、特殊低碳燃料热利用及其标准化，及高品位储热技术的相关研究，承担多项国家、省部级企事业单位委托的研究任务。团队长期招收相关领域的博士后、博士生及研究助理，联系方式：yang-zhang@tsinghua.edu.cn。

文章信息

邹俊,李昭兴,张海等.典型富氢燃料气预混火焰的熄灭特性[J].清华大学学报(自然科学版),2023,63(04):585-593.DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.009.

期刊介绍

《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。

《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。