O2/CO2气氛下CH4/H2/空气层流预混火焰传播特性

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230330

摘要/Abstract

摘要：

利用本生灯-纹影实验系统及Premix模型，系统研究了O₂/CO₂气氛下不同掺氢比掺氢燃气层流预混火焰传播特性.研究发现，GRI3.0机理能较准确预测高含氧量及高掺氢比下掺氢燃气层流火焰传播速度；在O₂/CO₂气氛下，掺氢燃气的层流火焰传播速度随着掺氢比的增加显著加快，且速度峰值向富燃侧移动；同时，预混燃气的绝热火焰温度及层流火焰传播速度随含氧量增加而逐渐升高；随着含氧量增加，火焰中大量存在的H自由基能够促进氧化反应H+O₂=O+OH的进程，进而提高了预混燃气层流火焰传播速度.

关键词: 层流火焰, 富氧燃烧技术, 含氧量, 化学动力学, 掺氢比

Abstract:

The laminar premixed flame propagation characteristics of hydrogen-enriched gas with different hydrogen mixing ratios in an O₂/CO₂ atmosphere were systematically studied using a Bunsen burner-schlieren experimental system and the Premix model. The results show that GRI3.0 mechanism can provide accurate predictions of the laminar flame propagation velocity of mixtures under high hydrogen mixing ratios and high O₂ concentrations atmosphere. With the increase of hydrogen mixing ratios， the laminar flame propagation velocity of mixtures increase significantly at O₂/CO₂ atmosphere. The peak values of laminar flame propagation velocity slightly shift to the fuel-rich side. Meanwhile， the adiabatic flame temperature and laminar flame propagation velocity of mixtures gradually increase as the O₂concentration increases. With the increase of O₂ concentrations， the large number of H radicals enhance the dominant promotion of H+O₂=O+OH， which contributes to the increase of the laminar flame propagation velocity of mixtures.

Key words: laminar flame, oxygen-rich combustion technology, O₂ concentration, chemical kinetics, hydrogen mixing ratios

中图分类号:

X 932

尚融雪, 孙浩英, 孙奇琪, 谭鑫悦. O₂/CO₂气氛下CH₄/H₂/空气层流预混火焰传播特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(6): 147-154.

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图/表 10

图1 纯CH4层流火焰传播速度的比较

Fig.1 Comparison of laminar flame propagation velocity of pure CH4

图2 纯CH4在不同XO2下的层流火焰传播速度

Fig.2 Laminar flame propagation velocity of pure CH4 under different XO2

图3 不同XH2条件下预混燃气的层流火焰传播速度

Fig.3 Laminar flame propagation velocity of premixed gas under different XH2

图4 预混燃气在不同掺氢比下随XO2变化的层流火焰传播速度

Fig.4 Laminar flame propagation velocity of premixed gas with XO2 under different hydrogen mixing ratios

表1 二次函数拟合关系式及拟合优度 (quadratic function)

Table 1 Fitting correlations and fitting optionR2 of

X $H 2$	拟合关系式	拟合优度R²
0	y=481.554 73x²-95.041 77x+2.059 94	0.99
0.25	y=570.889 53x²-109.966 95x+2.384 74	0.99
0.5	y=749.951 48x²-139.828 72x+2.927 13	0.99

表1 二次函数拟合关系式及拟合优度 (quadratic function)

Table 1 Fitting correlations and fitting optionR2 of

X $H 2$	拟合关系式	拟合优度R²
0	y=481.554 73x²-95.041 77x+2.059 94	0.99
0.25	y=570.889 53x²-109.966 95x+2.384 74	0.99
0.5	y=749.951 48x²-139.828 72x+2.927 13	0.99

图5 预混燃气在不同XO2下的绝热火焰温度

Fig.5 Adiabatic flame temperature of premixed gas under different XO2

图6 预混燃气在不同XH2下随XO2变化的绝热火焰温度

Fig.6 Adiabatic flame temperature of premixed gas with XO2 under different XH2

图7 不同XO2下的预混燃气质量燃烧速率敏感性分析（a）—ϕ=0.8；（b）—ϕ=1.2.

Fig.7 Sensitivity analysis of mass combustion rate of premixed gas with different XO2

图8 不同XO2下掺氢燃气预混火焰H自由基摩尔分数gas premixed flame with different XO2（a）—ϕ=0.8；（b）—ϕ=1.2.

Fig.8 Molar fraction of H radical in hydrogen-doped

图9 不同XO2下掺氢燃气预混火焰中H+O2=O+OH的反应速率

Fig.9 Reaction rate of H+O2=O+OH in premixed flame of hydrogen-doped gas with different XO2

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O₂/CO₂气氛下CH₄/H₂/空气层流预混火焰传播特性

Flame Propagation Characteristics of CH₄/H₂/Air Laminar Flow Premix Under O₂/CO₂ Atmosphere

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