《Journal of the Energy Institute》：Unveiling the effect of air humidity on the combustion characteristics of ethylene-air mixtures
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乙烯燃烧过程中湿度对火焰传播、压力演化及烟灰形成的影响研究。采用20L球形燃烧室，同步进行同步偏振光成像、化学发光成像及多点压力测量，对比干空气与62%湿度条件下的燃烧特性。发现湿度显著抑制火焰传播速度（从7.5m/s降至5.0m/s），降低峰值压力（φ=1.6→1.2时降幅达60%），延长爆炸时间约284%。通过化学动力学模型验证，湿度通过改变OH、H等自由基浓度，抑制多环芳烃生成和烟灰形成。同时揭示湿度对燃烧稳定性的双重作用：既促进热稀释效应，又通过化学反应抑制烟灰生成。
作者：Yada Leo、Chenyang Wang、Bo Zhang
上海交通大学航空航天学院，中国上海 200240
摘要
通过使用一个20升的球形燃烧室，在大气压下比较干燥空气和潮湿空气（相对湿度为62%，温度为298 K）对乙烯燃烧的影响进行了研究。在当量比从0.5到3.25的范围内，同时进行了同步的Schlieren可视化、化学发光成像和多点压力测量。此外，还使用AramcoMech 3.0和NUIGMech 1.1进行了基于CHEMKIN的动力学分析，以支持动力学解释。水蒸气的存在显著减缓了火焰传播速度，降低了峰值超压（P_max），尤其是在燃料过量的条件下，并将P_max向贫燃混合物方向移动。在干燥空气中，对应于最大火焰速度的当量比从φ = 1.3（7.5 m/s）变为潮湿空气中的φ = 1.1（5.0 m/s），而产生P_max的当量比从φ = 1.6（0.8 MPa）变为φ = 1.2（0.7 MPa）。在φ = 2.25时，干燥空气下的P_max约为潮湿空气下的2.5倍，而干燥条件下的爆炸时间（τ_e）大约是潮湿空气下的四分之一。在潮湿条件下，火焰前沿发展得更加平滑，表现出更高的稳定性和更少的波动，这与H、OH和CH自由基浓度较低一致。引入了惰性H2O的情况，以将热稀释与化学动力学效应分离，从而更直接地评估水蒸气的作用。此外，化学发光成像进一步显示，随着当量比的增加，整体火焰颜色从蓝色逐渐变为黄色，并伴随着表示烟尘形成的离散黄色斑点。在这项工作中，通过结合RGB颜色模型和自由基浓度剖面，对火焰化学发光进行了定量分析。这些发现突出了湿度在现实条件下对火焰结构、压力演变和烟尘形成所起的耦合热和化学作用。
引言
乙烯（C2H4）是现代石油化工行业的核心组成部分，也是燃烧研究中不饱和烃类的典型模型化合物[[1], [2], [3], [4]]。它具有相对较低的点火能量和异常宽的易燃范围（在空气中的2.6-30.0体积%）[5]，使其成为阐明烃类燃料基本化学动力学和火焰动态机制的典范燃料[[6], [7], [8]]。此外，C2H4因其高反应性和短的爆震到 detonation（DDT）转变距离[[9], [10], [11], [12]]，而成为先进基于 detonation 的推进系统的有前途的候选燃料。因此，阐明C2H4的燃烧行为不仅对于深入理解烃类反应途径至关重要，而且对于指导和优化下一代推进和能量转换系统也非常重要。
Movileanu等人[13]在封闭容器中对C2H4-空气燃烧进行了实验研究，涵盖了广泛的初始压力和燃料浓度范围。值得注意的是，他们发现最大爆炸压力出现在当量比为1.4时。Zettervall等人[14]通过实验和大涡模拟系统地研究了C2H4-空气在模型环形燃气轮机燃烧室中的燃烧，证明C2H4可以有效地应用于实际发动机相关的配置中。他们的模拟准确预测了C2H4-空气燃烧的动力学特性（例如，火焰结构、压力波动、热量释放时间序列），并与实验数据（如OH*化学发光图像）很好地吻合。水蒸气是柴油和汽油发动机中废气再循环（EGR）以及炉子中烟气再循环（FGR）的主要成分，因此研究水蒸气添加对污染物形成的影响具有深远的基本意义和实际价值[15]。
早在1976年，就有研究报道，在C2H4预混火焰中引入水蒸气可以增加OH浓度同时抑制烟尘形成。值得注意的是，这项开创性的工作提供了水化学效应的早期证据，表明水蒸气不仅仅作为惰性稀释剂，还积极参与反应过程[16]。在此基础上，Liu等人[17]对层流C2H4-空气扩散火焰进行了详细的数值模拟，并表明在氧化剂侧引入水可以降低H自由基浓度，从而降低多环芳烃（PAH）的水平并抑制烟尘的形成。由于PAH是烟尘颗粒的已知前体，这种减少直接有助于观察到的抑制效应。Santner等人[18]表明，水蒸气通过增强OH自由基同时抑制C2H4-O2火焰中的H和O自由基来重塑自由基池。与这一机制趋势一致，Zhang等人[19]报告称，在层流预混C2H4火焰中，OH富集在抑制PAH生长中起着关键作用。Araln等人[20]报告称，在高温下向烟尘氧化系统中添加水蒸气促进了CO向CO2的转化，从而减少了CO排放。这种行为归因于水蒸气对表面氧复合物的修饰，有利于在烟尘-O2-H2O系统中形成CO2。综合这些开创性和后续的研究，可以得出结论：水蒸气对C2H4火焰中的烟尘形成具有强烈的抑制作用。这种效应不仅来自物理稀释，更重要的是来自其化学作用——即重塑自由基浓度（增加OH同时减少H），从而调节控制烟尘产生的氧化和PAH形成途径。
除了其化学作用外，水还显著影响燃烧中的热物理过程。增加水含量会降低火焰温度，从而促进低温燃烧。许多研究调查了发动机中的水注入技术，发现当水注入比例在5%到25%之间时，NOx排放随着水添加量的增加而逐渐减少。重要的是，水注入抑制了爆震倾向并提高了直喷汽油发动机的效率[[21], [22], [23]]。多相形式的水添加也被证明显著影响反应流动力学。Araln等人[20]报告称，水蒸气通过修改表面氧复合物在高温下影响烟尘氧化，从而增强CO向CO2的转化。Li等人[24]通过数值模拟表明，水雾显著减弱了C2H4-空气的爆震传播，因为液滴蒸发吸收了热量并冷却了后冲击产物，最终加速了爆震的熄灭。Yuan等人[25]使用Chemkin代码在发动机相关条件下数值研究了水蒸气对CH4-空气混合物的自燃特性和层流火焰速度的影响。结果表明，与化学效应相比，水蒸气的稀释和热效应起着主导作用。除了目前的发现外，Li等人[26]也报告了类似的趋势。他们的研究表明，水蒸气的稀释作用在燃烧行为中起主导作用，并且随着稀释比的增加而变得更加明显。然而，过量的水蒸气添加可能会引起燃烧不稳定。这些发现强调了优化水蒸气比例以实现NOx减少和燃烧稳定性之间的平衡的重要性。
关于湿度作为环境空气的固有成分如何调节预混烃类火焰中的火焰传播和压力演变的比较实验研究仍然有限。此外，直接将火焰亮度与潮湿条件下的烟尘形成联系起来的定量诊断方法仍然不足。为了解决这些不足，本研究提供了对广泛当量比（0.5-3.25）范围内的预混C2H4-空气火焰的系统性实验和数值研究。首先，使用同步的Schlieren成像、化学发光诊断和压力测量来同时表征干燥和潮湿条件下的火焰传播和压力演变。其次，引入了基于RGB的定量化学发光分析，并结合基于CHEMKIN的动力学建模，建立了火焰亮度、自由基化学和烟尘形成行为之间的直接联系。这一综合框架使得更清楚地理解H2O如何影响烃类燃烧中的火焰动力学、压力发展和与烟尘相关的过程成为可能。以下部分首先介绍实验观察结果，然后是动力学分析和光学诊断，以提供全面的解释。
实验细节
实验细节
燃烧实验在如图1(a)所示的20升厚壁球形容器中进行。该容器配备了两个相同的110毫米窗口，并在初始温度298 K下运行[27]。使用高速Schlieren成像系统（帧率10,000 fps）捕捉了视野内的球形火焰的时间演变。此外，还同步触发了一台彩色相机来记录火焰化学发光图像。静止混合物被点燃
结果与讨论
为了更好地理解湿度对燃烧行为的影响，结果从压力演变、火焰传播和动力学特性方面进行了分析。
结论
本研究阐明了湿度对C2H4-空气燃烧的动力学和光学影响。湿度具有抑制作用，降低了火焰速度、峰值超压和化学发光强度，尤其是在燃料过量的条件下。在φ = 2.25时，湿度使P_max降低了大约60%（从0.71 MPa降至0.28 MPa），并将τ_e延长了约284%（从130.7 ms延长至502.2 ms），而在贫燃条件下其影响最小。
实验和CHEMKIN分析结果表明，湿度
CRediT作者贡献声明
Yada Leo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，数据分析，概念化。Chenyang Wang：验证，研究，数据分析，概念化。Bo Zhang：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，研究，资金获取，概念化。
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述工作的竞争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（资助编号：12572416和12272234）和上海市教育委员会的创新计划（资助编号：2023KEJI05-75）的支持。
