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本文撰稿人介绍
刘建 副教授（中南大学）
瑞典隆德大学博士及博士后，中南大学航空航天技术研究院副教授。长期从事涡轮叶片冷却、超燃冲压发动机再生冷却、超声速流动燃烧计算等研究工作。目前已发表SCI期刊论文80余篇，英文著作3部，中文专著1部，国际会议特邀报告2次，获得Aerospace 期刊“2023 Young Investigator Award”(每年评选1人)。3篇论文入选ESI高被引用论文，Scopus总被引用2300余次，h-index 26。主持装备预研、国防科工局支撑项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金等项目10余项。担任Aerospace、Energies、Foundations 等国际期刊编委；担任IJHMT、ATE、IJTS 等十余个国际期刊审稿人。
编委鉴赏
氢能航空是当前推进领域最受关注的方向之一，但其燃烧产生的高NOx排放问题尚未得到妥善解决。富燃-淬熄-贫燃 (Rich-Quench-Lean, RQL) 燃烧室通过分区燃烧控制温度窗口，被认为是抑制NOx生成的有效技术路线。然而，RQL燃烧室面临的一个核心设计难题在于：稀释空气的注入在降低温度的同时，还会显著增强湍流混合与标量耗散率，可能导致火焰局部淬熄甚至全局吹熄 (Blow-Off)。如何在排放控制与燃烧稳定性之间取得最优平衡，是氢燃料燃烧室设计的首要挑战之一。
这篇发表在 Aerospace 期刊的研究来自剑桥大学Mastorakos教授团队，针对一种氢燃料RQL模型燃烧室，系统评估了一种基于随机不完全搅拌反应器 (sISR) 的低阶模型在预测吹熄极限方面的能力。作为燃烧诊断与模拟领域的研究者，我认为本文最具启发性之处在于：仅依靠少量冷态RANS CFD数据作为输入，sISR模型即可预测不同当量比下的吹熄稀释比，且与实验数据趋势一致。这一方法的工程价值在于将高保真模拟的数周计算周期压缩至数小时级别，使得设计阶段能够快速扫描大量工况。
文章还清晰地展示了氢燃料与碳氢燃料在熄灭行为上的本质差异——氢火焰的吹熄标量耗散率阈值约60 s⁻¹，远高于乙醇的8 s⁻¹。这种定量差异使得专门针对氢的建模与验证尤为必要。对于从事氢能燃烧室设计和稳定性分析的工程师与研究者，本文提供了一个兼具物理深度与工程效率的分析工具。
文章导读
氢气作为航空燃料具有零碳排放的优势，但其极高的绝热火焰温度和反应活性也带来了新的技术挑战。一方面，高温燃烧会导致热力型NOx急剧增加，难以满足航空适航标准；另一方面，氢气的高反应性虽有助于拓宽稳燃边界，但在强湍流和稀释条件下仍会面临吹熄风险。
RQL燃烧室是解决NOx问题的有效方案之一，其工作原理分为三个阶段：富燃区 (产生大量还原性物质抑制NOx)、快速淬熄 (注入稀释空气骤冷降温)、贫燃区 (完成最终燃烧)。然而，稀释空气的注入在降低温度的同时，也增加了局部标量耗散率，可能造成火焰局部淬熄，当淬熄面积超过临界值后将导致全局吹熄。
预测吹熄极限的传统方法依赖大涡模拟 (LES) 结合条件矩封闭 (CMC)，计算成本极高，难以在设计阶段大规模应用。剑桥大学团队此前开发的sISR低阶模型已在碳氢燃料旋流火焰中验证了其预测能力。本研究将该方法拓展至氢燃料RQL燃烧室，旨在回答三个问题：sISR能否捕捉氢火焰的吹熄行为？氢燃料的熄灭阈值与碳氢燃料有何不同？仅依靠冷态RANS模拟能否支撑可靠的吹熄预测？
研究材料与方法
研究采用的RQL旋流燃烧室示意图如图1所示。一次空气通过旋流器进入 (与轴向成80°角)，氢气燃料从中心孔径 (4 mm) 注入。稀释空气通过四个侧向射流注入，位于入口下游54 mm处，与壁面成45°角。空气和燃料初始温度均为300 K，系统在常压下运行。
图1. RQL旋流燃烧室示意图
实验中固定燃料流量，通过改变总空气流量调节当量比。研究的目标是预测不同当量比下的临界吹熄稀释比。仅需对三个远离吹熄的工况进行冷态RANS模拟 (采用𝑘−𝜖湍流模型)，即可提取sISR所需的输入参数。
sISR模型建立在条件矩封闭 (Conditional Moment Closure, CMC) 框架的基础上，其核心是求解条件质量分数和焓的输运方程，其中标量耗散率 (Scalar Dissipation Rate, SDR) 随时间按随机微分方程演化，以模拟湍流波动对熄灭的影响。模型预测的熄灭概率定义为：在大量随机实现中，火焰在化学-湍流时间尺度竞争中淬熄的比例。sISR的四个关键输入参数均从CFD结果中提取：
平均标量耗散率〈N0**〉：在化学当量混合物分数等值面周围体积内的加权平均
脉动参数F：基于湍流雷诺数估算，反映SDR波动的幅度
特征时间尺度τN：约1.6倍Kolmogorov时间尺度，反映SDR波动的自相关性
熄灭概率阈值30%：量实验与数值研究表明，当化学当量等值面上30%面积经历局部淬熄时，全局吹熄随即发生
图2. sISR熄灭预测方法流程图
研究结果与讨论
结论一：冷态RANS模拟揭示了不同当量比下的流场与混合特征
图3展示了三个工况在45°斜切面上的速度、混合分数和标量耗散率分布。固定燃料流量下，фg越低意味着一次空气流量越大，射流动量越强，从而形成更强烈的回流区，燃料射流被压缩，产生更陡峭的标量梯度和更高的SDR。Case A的平均SDR高达21.1 s⁻¹，而Case C仅为7.8 s⁻¹。这一趋势与吹熄行为直接相关：Case A空气量最大，最接近吹熄边界。
图3. 不同全局当量比下的速度和混合分数分布对比
结论二：sISR成功建立了熄灭概率与SDR之间的S型曲线关系
图4展示了在固定〈N0**〉=60 s⁻¹下，两个随机实现的温度随时间的演化差异。蓝色为稳定燃烧实现，温度稳定在约2200 K；红色为熄灭实现，温度在约40 ms后急剧下降至1000 K以下。这一差异完全由SDR的随机波动导致——即使平均SDR相同，不同的涨落历史也可能导致截然不同的火焰命运。
通过对100个随机实现的统计，可建立“熄灭概率-平均SDR”曲线 (图5)。该曲线呈S型，熄灭概率随SDR增加从0单调上升至1。氢火焰的吹熄阈值SDR约为60 s⁻¹，远高于碳氢燃料 (乙醇约8 s⁻¹)，这反映了氢气的高层流火焰速度和反应活性。
图4. 稳定燃烧与吹熄实现的温度对比
结论三：sISR模型成功预测了LBO曲线和吹熄稀释比
基于sISR预测的吹熄SDR (60 s⁻¹) 和CFD提取的参考SDR，通过线性缩放关系得到不同фg下的临界吹熄稀释比：
sISR预测不仅正确捕捉了фg增大时吹熄稀释比上升的趋势，且在定量上也与实验吻合良好。值得注意的是，这一预测仅依赖三个冷态RANS工况，计算成本远低于传统LES-CMC方法。
研究总结
本研究系统评估了低阶sISR模型在氢燃料RQL旋流燃烧室吹熄预测中的适用性，主要结论如下：
方法有效性：sISR模型成功预测了不同全局当量比下的临界吹熄稀释比，与实验数据趋势一致。仅需少量冷态RANS模拟即可完成预测，计算成本极低。
氢燃料特性：氢火焰的吹熄SDR阈值约为60 s⁻¹，显著高于碳氢燃料 (如乙醇的8 s⁻¹) ，这反映在熄灭概率曲线的整体右移，凸显了对氢燃料进行专门建模与验证的必要性。
物理机制：冷态RANS模拟表明，较低的全局当量比 (更多空气) 导致更强的射流动量和更高的SDR，解释了该工况下吹熄稀释比更低的实验现象。
工程价值：sISR可作为燃烧室初步设计阶段的快速筛选工具，在数小时内完成数十种构型的稳定性评估，有望显著加速氢燃料RQL燃烧室的开发进程。
后续工作可将sISR纳入包含排放预测的多目标优化框架，在稳定性和NOx排放之间寻找Pareto最优解。此外，将sISR拓展至高压条件和实际燃烧室几何构型，将是推动该方法工程应用的关键一步。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2226-4310/12/8/676
Aerospace 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Konstantinos Kontis, University of Glasgow, UK
期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统 (UAS)、城市空中交通 (UAM)、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。
2025 Impact Factor：2.5
2025 CiteScore：4.8
Time to First Decision：18.5 Days
Acceptance to Publication：2.7 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace
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