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Numerical simulation study on ignition process of hydrogen micro-mixed diffusion combustion chamber

本研究采用数值模拟方法研究了氢气微混合扩散燃烧室的点火过程，揭示了混合物不均匀性、点火时机不当以及非对称喷射会加剧超压风险，而通过在对称条件下减少喷射孔数量，可以提供一种减轻此类安全隐患的最佳点火方案。

原作者： Xinlu He, Yixiao Wang, Junjie Jiang, Cha XIONG, Wanyue Jing, Hua QIU

发布于 2026-07-15

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原作者： Xinlu He, Yixiao Wang, Junjie Jiang, Cha XIONG, Wanyue Jing, Hua QIU

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

技术摘要：氢气微混合扩散燃烧室点火过程数值模拟研究

问题陈述

在“双碳”战略目标的背景下，氢燃料被日益视为航空发动机能量结构转型的关键组成部分。然而，氢气的高反应活性、低点火能量和宽点火范围给安全性带来了巨大挑战，特别是在燃烧室这种受限空间内。此类环境下的点火具有极高的超压风险（本研究定义为局部压力增幅超过初始压力的5%）及潜在的爆炸风险。虽然微混合扩散燃烧技术通过将火焰分割成微区以增强混合并降低排放，提供了一种解决方案，但关于纯氢在受限空间内点火的具体风险及爆炸特性的研究仍处于“空白阶段”。现有文献多侧重于掺氢燃料或非受限泄漏场景，导致对于不同喷射与点火策略下纯氢微混合燃烧室的点火动力学机制理解尚存空白。

研究方法

本研究采用数值模拟方法，利用 ANSYS-FLUENT 软件对氢气微混合扩散燃烧室的点火过程进行研究。

物理模型： 模拟域基于克兰菲尔德大学（Cranfield University）单一三维喷嘴结构的扩展阵列，特征包括一个 260 mm 长的燃烧室、一个 70 mm 的尾部收敛段以及六组喷嘴（每组包含空气和氢气入口）。
数值设置：
- 算法： 基于压力的速度耦合（Coupled）算法。
- 湍流模型： 根据 Yilmaz Harun 等人的前期研究进行选择，以确保氢气燃烧的准确性。
- 燃烧模型： 采用爱迪生耗散概念（EDC）来捕捉湍流中的化学反应。
- 化学反应机理： 采用 ÓConaire 复杂氢气反应机理（包含 10 组分，21 个反应步骤）。
边界条件： 当当量比固定为 0.4 时，入口条件包括 422 K 的总空气温度和 243.47 kPa 的压力。点火源被建模为一个高温热源（2000 K，半径 3 mm）。
安全判据： 参考 GB/T 42368-2023 标准，若瞬时压力比（ $P_r = P_m / P_{t3}$ ）达到或超过 1.05，则判定为发生爆炸。
验证： 使用 0.2 mm、0.3 mm 和 0.5 mm 的结构化网格进行网格独立性验证。最终选择 0.3 mm 网格，因为它在满足精度要求的同时，其结果与 0.2 mm 网格保持一致。

核心贡献与结果

研究系统分析了在不同喷射-点火时刻（稳定充填、充填结束、半充填）以及不同启动负荷（全负荷、1/2 负荷、2/3 负荷工况）下的燃烧与爆炸特性。

1. 点火时刻与混合均匀度

稳定充填（时刻 A）： 在稳定充填状态下，火焰传播相对平滑，但在早期阶段会出现回火现象。此时会发生超压事件，最高峰值压力（ $P_r = 1.185$ ）出现在 $t = 75.5$ ms 时，位置靠近喷嘴 ④ 和 ⑤ 的氢气出口附近。
充填结束（时刻 B）： 充填结束时的点火会导致混合物高度不均匀并存在浓度梯度。这导致了火焰分离，且相比稳定充填，其超压风险显著升高。最高压力峰值在 $t = 194.98$ ms 时达到 $P_r = 1.48$ ，位于喷嘴 ① 的管路中。
半充填（时刻 C）： 该工况下的流场最为不稳定，燃烧室后半部分为纯空气。点火无法实现火焰连接，火焰趋向于熄灭。此处的超压风险最高，在 $t = 207.47$ ms 时达到峰值压力 $P_r = 1.54$ 。研究结论认为，在半充填时刻进行点火是不安全且不可靠的。

2. 启动负荷与喷射策略

全负荷工况： 表现出中度的超压风险，并伴有频繁的回火现象。
1/2 负荷工况： 减少活动喷嘴的数量（仅开启下半部分）降低了平均温度和反应热，但由于流场的不稳定性，反而增加了超压事件的数量和振幅。
2/3 负荷工况： 使用中间四个喷嘴配合对称点火位置（点火位置 2）可显著降低风险。平均压力脉动振幅降至 0.61 kPa，且仅发生了一次轻微的超压事件（ $P_r = 1.072$ ），该事件归因于喷嘴 ④ 附近的特定几何应力集中。

3. 最优点火方案

研究确定了一种特定的顺序点火策略作为最优解：

仅开启两个中间氢气喷嘴（③ 和 ④）以建立稳定的对称火焰。
50 ms 后，开启相邻喷嘴（② 和 ⑤）以扩大燃烧范围。
结果： 这种对称的分阶段方法在检测期间完全消除了回火现象。未观察到超压事件（ $P_r \geq 1.05$ ）。反应热和压力波动保持平滑，火焰传播稳定，没有出现非对称或非顺序策略中所见的剧烈振荡。

意义与主张

本文声称为中国航空氢燃料微混合燃烧室的安全可靠点火提供了首个理论支撑，填补了此前研究的空白。

超压机制： 研究阐明了超压与回火直接相关。当回火产生的高温遇到边缘、转角、喷嘴阶梯和壁面时，会导致压力积聚。
均匀度的作用： 研究表明，混合物的不均匀性、不当的点火时机以及非对称的喷射条件是导致超压频率和振幅增加的主要驱动因素。
实践建议： 作者得出结论，在对称条件下减少氢气喷射口数量是减轻超压的有效方法。具体而言，提出了“中间两组先行，随后扩张”的点火方案，作为最小化燃烧不稳定性和爆炸风险的最优策略。

研究强调，虽然采用对称喷射的 2/3 负荷工况能降低风险，但采用两组中间喷嘴顺序点火并随后扩张的方案，能提供最稳定且超压风险最低的过程，从而有效防止受限微混合空间内发生氢气爆炸的情况。