在微燃气轮机相关条件下，对稀薄预混NH3/H2/N2/空气射流在横流中的直接数值模拟

《Energies》：Direct Numerical Simulation of a Lean Premixed NH3/H2/N2/Air Jet in Crossflow at Micro-Gas Turbine Relevant Conditions

　　

摘要

本研究通过直接数值模拟方法，研究了在5巴压力下、经矩形喷嘴注入的含10% NH sub 3'" data-语义总结="' 下标'" data-语义盲文="??"> 3'" data-语义前缀="' 下标'" data-语义总结="' 数字'" data-语义盲文="?">3、11% H sub 2'" data-语音附加="true" data-语义盲文="??" data-盲文附加="true" has-speech="true"> sub 2'" data-语义总结="' 下标'" data-语义盲文="??"> 2'" data-语义前缀="' 下标'" data-语义总结="' 数字'" data-语义盲文="?">2、16% O sub 2'" data-语音附加="true" data-语义盲文="??" data-盲文附加="true" has-speech="true"> sub 2'" data-语义总结="' 下标'" data-语义盲文="??"> 2'" data-语义前缀="' 下标'" data-语义总结="' 数字'" data-语义盲文="?">2和63% N sub 2'" data-语音附加="true" data-语义盲文="??" data-盲文附加="true" has-speech="true"> sub 2'" data-语义总结="' 下标'" data-语义盲文="??"> 2'" data-语义前缀="' 下标'" data-语义总结="' 数字'" data-语义盲文="?">2的混合气体，通过矩形喷嘴注入到预加热且无杂质的空气流中，此时压力为5巴。该实验配置选自雷诺平均纳维-斯托克斯方程测试系列，旨在实现低氮氧化物生成量与低未燃燃料含量，同时保持涡轮进口处的高温度。直接数值模拟结果显示，火焰会在矩形喷射流的背风侧、回流区域内及下游区域稳定存在，而较高的标量耗散和较短的停留时间则使得火焰无法在迎风侧持续存在。联合统计分析表明，反应过程并非遵循恒定的当量比路径，因为卷吸、稀释和差异扩散作用使得中间反应状态向更贫燃的混合气方向偏移。最强的热量释放和位移速度现象发生在混合气状态、拉伸效应以及火焰前沿几何结构共同作用的局部区域。位移速度主要由化学源项控制，扩散作用会降低火焰的净传播速度，而由层流引起的交叉项影响则相对较小。在强烈拉伸作用下，呈正曲率的火焰部分会表现出更大的位移速度，这说明曲率、优先扩散效应以及局部自由基传输之间存在耦合作用。氮氧化物的形成主要源于燃料与氮元素的化学反应：HNO和NH是生成氮氧化物的主要途径，而N和NO则是吸收氮氧化物的主要通道。直接数值模拟预测出口处的平均氮氧化物浓度为400 dppm，而基于更大计算域的雷诺平均纳维-斯托克斯方程计算则表明，更长的停留时间有可能将这一数值降至100 dppm以下。