《Combustion and Flame》：Effects of equivalence ratio and methane addition on the low-temperature flame propagation and kinetics of n-heptane
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n-庚烷冷却火焰与双火焰的球形传播特性及甲烷掺混影响研究。基于OpenFOAM平台耦合Laminar-SMOKE与Cantera化学动力学分析，揭示了当量比2-8和0%-40%甲烷掺混下，冷却火焰向双火焰转变的热力学机制。当量比超过4时，前导火焰热释放率显著提升，而尾随火焰则降低。甲烷掺混通过抑制高温反应改变双火焰形成路径，低/高温反应路径占比随当量比变化呈现显著差异，为先进压燃发动机燃烧优化和低碳燃料开发提供理论支撑。
周梦妮|窦晓宇|张尊华|米晓雄|李格生
武汉工业大学船舶与海洋能源动力工程学院，中国湖北武汉430063
摘要
本研究通过全面的数值模拟，探讨了正庚烷（NC7H16）在球形火焰传播过程中冷火焰和双火焰的起始机制、传播特性及化学动力学特性，同时分析了不具有负温度系数（NTC）行为的燃料对火焰行为的影响。在OpenFOAM平台上建立了一个层流预混火焰模型，其中层流-SMOKE求解器用于模拟正庚烷-甲烷冷火焰和双火焰，并使用Cantera进行了化学动力学分析。在不同当量比和甲烷混合比下，系统地研究了火焰的形成过程、结构及整体反应路径。结果表明：正庚烷冷火焰可以通过热点引发；在初始条件为300 K和2 atm的情况下，当量比超过4时冷火焰会转变为双火焰。随着当量比的增加，前沿火焰的热释放率（HRR）增强，而后沿火焰的热释放率降低。此外，甲烷的添加显著改变了正庚烷双火焰的形成过程。动力学分析显示，前沿火焰和后沿火焰之间的主要放热反应存在显著差异。反应路径分析进一步表明，较高的当量比促进了正庚烷的低温氧化，而甲烷的添加则抑制了高温反应的强度。总体而言，本研究为低温燃烧的化学机制提供了理论见解，为优化先进压缩点火发动机中的燃烧策略及开发低碳燃料提供了指导。
引言
在传统的内燃机中，燃烧过程主要由高温预混火焰和非预混火焰主导。然而，在采用先进燃烧策略（如均质充量压缩点火（HCCI）[1]、[2]、反应控制压缩点火（RCCI）[3]、[4]、[5]和预混充量压缩点火（PCCI）[6]、[7]）的发动机中，低温燃烧在燃料氧化、分解和热释放过程中起着关键作用。低温火焰化学特征的反应通常与发动机爆震和爆轰现象密切相关[8]、[9]、[10]。此外，研究低温火焰对于深入理解化学动力学机制[11]、开发替代燃料[12]、减少污染物排放[13,14]以及改进防火和减灾策略至关重要。因此，低温燃烧逐渐成为新的研究焦点。
冷火焰在低温燃烧中起着重要作用，其中部分燃料被氧化为醛类、烯烃和其他低温中间体，火焰温度约为800 K或更低。双火焰则是一种具有两个不同火焰前沿的火焰结构，其中至少有一个前沿是前沿火焰。
近年来，Ju等人[15,16]对冷火焰和双火焰的几个关键特性进行了系统综述。2018年，张等人[17]利用自适应非稳态反应流模拟（A-SURF）框架研究了二甲醚（DME）冷火焰的形成、传播和熄灭过程。2021年，杨等人[18]在OpenFOAM中开发了一维球坐标模型，并应用反应型FOAM-SCT进行数值模拟，重点研究了DME预混冷火焰在球坐标系统中的最小点火能量和传播动力学。2024年，王等人[19]在一维球坐标下进行了模拟，观察了冷火焰和热火焰之间的传播和转变，并通过二维模拟研究了冷火焰的浮力诱导变形。同年，秋田等人[20]使用可压缩气体数值分析代码（COGNAC）研究了一维球坐标系统中双火焰的形成和传播，特别关注了热点参数和环境压力的影响。先前的研究表明，点火能量或点火温度对低温火焰的形成具有关键影响。此外，在火焰动力学中，低温化学（LTC）所包含的化学和热效应在控制这些火焰的形成和传播中起主导作用。
然而，在现有的关于球形传播冷火焰和双火焰的研究中，当量比对它们形成和传播的影响尚未得到充分研究，其火焰结构及微观化学动力学特性仍不清楚。此外，尚未探索不具有负温度系数行为的燃料对冷火焰和双火焰形成和传播的影响。
因此，本研究分为三个主要部分：首先研究当量比对冷火焰和双火焰形成和传播的影响；其次探讨双火焰传播过程中的火焰结构和微观化学动力学特性；最后研究引入不具有NTC行为的燃料对由NTC敏感燃料驱动的冷火焰和双火焰形成和传播的影响。
数值模型
本研究使用计算流体动力学（CFD）软件包OpenFOAM进行模拟，该软件包结合了由米兰理工大学CRECK小组于2013年开发的层流-SMOKE求解器[21]。该求解器专为模拟层流燃烧过程设计，能够处理复杂的化学反应网络并支持大规模的动力学机制。采用算子分裂方法将复杂的燃烧过程分解为多个部分
当量比对正庚烷火焰传播的影响
为避免歧义，本文中讨论的火焰结构定义如下：冷火焰是指典型温度在750–800 K范围内的低温反应前沿，其特点是热释放相对较弱；温火焰对应于典型温度在800–1100 K范围内的中间温度反应前沿，代表冷火焰和热火焰之间的过渡阶段；热火焰表示高温火焰前沿
结论
本研究利用OpenFOAM平台对正庚烷-甲烷混合物的球形预混冷火焰和双火焰的层流燃烧过程进行了数值模拟。模拟条件包括初始温度300 K、初始压力2 atm、氮气稀释比30%、当量比2至8以及甲烷混合比0%至40%。通过反应动力学分析研究了
创新性和意义
本研究首次报道了在富燃料球形配置下控制正庚烷冷火焰和双火焰传播的火焰结构转变机制。研究发现两种由低温化学强度控制的不同转变模式，并揭示了甲烷混合如何通过温火焰介导的机制从根本上改变转变路径。研究还量化了主要低温反应和高温反应的贡献
作者贡献声明
周梦妮：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资金筹集。窦晓宇：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、数据整理。张尊华：项目监督、项目管理、方法论研究、概念构思。米晓雄：软件开发、方法论研究。李格生：可视化处理、验证工作、方法论研究、概念构思。
