氢气/氮气添加对乙烯扩散火焰碳烟生成影响的模拟研究

摘要

针对氢气添加对碳烟生成是化学促进还是抑制的问题，采用二维数值模拟对纯乙烯、添加氮气和添加氢气的同轴协流扩散火焰开展了系统研究。分析了添加30%体积分数的氢气、氮气后，其对火焰温度、碳烟体积分数、颗粒生长、成核、前驱物演变和氧化等过程的影响，获取了相关特征参数的变化规律，阐明了低比例氢气添加对碳烟生成的化学促进作用机制。模拟结果表明：相较于添加体积分数为30%的氧气火焰，添加体积分数为30%的氢气火焰能够在一定程度上促进碳烟形成，碳烟峰值体积分数从4.37×10^-6增加至4.52×10^-6,但掺氢引起的温度场变化对碳烟生成的影响作用较小；掺氢带来的化学促进作用主要通过加速多环芳香烃（PAHs）的生成和颗粒成核速率实现，进而在PAHs沉积作用而非脱氢加乙炔反应主导下促使颗粒质量增加；掺氢能够通过同时增加OH和O₂的氧化速率促进颗粒氧化，但其带来的化学促进颗粒生长作用要大于氧化促进作用。该研究可为掺氢燃烧的碳烟颗粒控制提供理论依据。

关键词

氢气/氮气 / 乙烯 / 同轴协流扩散火焰 / 碳烟 / 化学促进作用

基金资助

国家自然科学基金联合基金重点资助项目(U2341282); 航空发动机与燃气轮机基础科学中心重点资助项目(P2022-B-Ⅱ-014-001)