【新能源】模擬如何應對氫燃料挑戰

韓國科學技術高等研究院（KAIST）與 Ansys合作，使用大渦類比預測氫甲烷混合火焰的燃燒結構。

氫作為碳中和燃料已經佔據了前排。 在利用過程中沒有碳排放使其對零排放倡議非常有吸引力。 與典型的碳氫化合物相比，氫燃料具有更高的火焰速度（高出8倍）、更低的點火能量需求（低15倍）和更寬的可燃極限（4%至70%）。 這些氫的特性既提供了機遇，也帶來了設計基於氫和氫混合燃料的能量轉換系統的挑戰。

氫的特性使其具有更好的效率和燃燒穩定性。 然而，氫的更高火焰速度和更寬的可燃極限也帶來了關於火焰倒流和其他安全問題的關鍵挑戰。 氫火焰的更高溫度對氮氧化物（NOx）和金屬保護構成了挑戰。 由於其較低的Lewis數（熱擴散率與質量擴散率之比），氫的強差異擴散是燃燒不穩定性的主要問題。 差異擴散導致了沿著火焰前緣的局部當量比和反應速率的變化。 因此，氫作為一種更清潔的燃料在大規模上的採用取決於解決與火焰倒流、NOx排放和燃燒不穩定性有關的問題的速度。

一些研究團隊正在通過實驗室測試和模擬來減輕這些挑戰。 韓國科學技術高等研究院（KAIST）和Ansys正在開發計算流體動力學（CFD）方法和最佳實踐，以使用大渦類比（LES）預測氫甲烷混合火焰的燃燒結構。

KAIST燃燒動力學和診斷實驗室的研究

KAIST CDDL正在研究重型燃氣渦輪機燃燒器、飛機發動機後燃器和雙推進劑液體火箭發動機中的低頻和高頻燃燒不穩定性。 其當前的研究重點包括：

• 高頻燃燒不穩定性的觸發，以及與多千赫茲橫向熱聲振蕩相關的複雜模態動力學和機制細節。

• 氨/氫基無碳燃氣渦輪機燃燒的雷射診斷測量和數值類比。

• 高級軸向燃料分段燃燒系統中橫向反應噴射自激動力學的拓撲特徵的詳細表徵。

Ansys氫燃料和氫混合燃料的模擬方法

大多數先前的燃燒模型和最佳實踐是針對碳氫化合物燃料而演變的，並且已經通過豐富的實驗數據進行了驗證。 這些模型和最佳實踐需要對氫和氫混合燃料進行研究和驗證。 Ansys的計算流體動力學（CFD）團隊一直在評估不同的燃燒建模方法。 他們正在開發新的模型和最佳實踐，以類比基於氫和氫混合燃料的反應流系統。