FIE 前沿研究：微通道中甲烷-氧气扩散“火焰街”的动态建立过程

　　扩散“火焰街★◆■■”是一个极为有趣的火焰行为：火焰在狭窄通道中以数个火焰微团的形式沿着混合层离散分布。之前关于该现象的文献研究大多以实验或者数值模拟方法聚焦此类火焰的稳态热-化学结构■◆★。本文中作者使用开源CFD框架OpenFOAM下开发的低马赫数反应流求解器数值模拟了甲烷-氧气扩散◆■◆■★“火焰街■■◆◆■★”的动态建立过程。模拟中通过在通道出口附近施加一定的点火能量，使得一“反应核心■◆◆◆”形成并开始分裂★◆◆■★◆。随后，三个独立的火焰团依次从该核心生成并向通道上游传播，并最终达到稳定状态（整个物理过程在15 ms内完成）◆◆。有趣的一点是，三个火焰团在过程中展现出不同的传播特征：第一个前沿火焰经历了一个形态变化，从快速传播阶段时的三叉结构转变为锚定在入口附近时的长条状扩散火焰◆★★★◆■；第二个火焰以大幅降低的速度向上游传播，保持其不变的“双翼”结构（贫燃分支与富燃分支），最终大约在通道中部位置处稳定下来★◆★◆◆；第三个火焰在点火源关闭后略微向通道下游移动，最后呈现出与第二个火焰相似的双分支结构。此外■★★◆，本工作对前沿火焰微团的预混与扩散分支的化学结构进行了剖析，重点关注火焰形态转变时对燃烧热释放起主导作用的基元反应的变迁■★■★■◆。本论文在国际上首次讨论了“火焰街”的瞬态形成过程，以期为读者们提供针对这类特殊火焰现象的全面深入理解。

　　2◆■◆■◆. 三个火焰团在过程中展现出不同的传播特征★■★■◆◆：第一个前沿火焰经历了一个形态变化，从快速传播阶段时的三叉结构转变为锚定在入口附近时的长条状扩散火焰◆■★◆★◆；第二个火焰以大幅降低的速度向上游传播，保持其不变的“双翼■★★”结构（贫燃分支与富燃分支），最终大约在通道中部位置处稳定下来；第三个火焰在点火源关闭后略微向通道下游移动，最后呈现出与第二个火焰相似的双分支结构。

　　1. 通过高保真数值模拟在国际上首次模拟研究了微通道内特殊“火焰街◆★■★◆”现象的动态建立过程；

　　文献中关于此类现象的研究大多以实验或者数值模拟方法探讨火焰的稳态热-化学结构。本工作中作者使用开源CFD框架OpenFOAM下开发的低马赫数反应流求解器数值模拟了甲烷-氧气扩散“火焰街”从点火到稳定的动态建立过程。得到了以下主要结论：

　　1★■◆◆. 整个物理过程在15个ms内完成，经历了一系列接连发生的重要“事件”★★◆：点火能量的施加与“反应内核”的形成“反应内核”分裂第一个火焰团向上游传播并经历形态转变第二个火焰团生成并向上游传播点火源的移除以及第三个火焰稳定■★★。

　　康鑫，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授■★■◆■，硕士生导师★■■◆★★。从事流体力学★★■★、工程热力学、新能源概论、MATLAB程序设计与应用、高等流体力学★★、高等传热学、计算传热学等本科与研究生课程的教学★◆★■，主要研究方向◆★◆■■：微尺度燃烧、层流燃烧不稳定性、反应流高精度数值模拟◆■◆◆、相变材料储能等。

　　王宇，武汉理工大学先进燃烧实验室PI，汽车学院教授◆■■◆◆，博士生导师。从事发动机原理和流体力学等课程的教学，主要研究方向■★◆★◆★：清洁动力、碳烟生成机理、激光传感★■■■◆、生物燃料◆★、机器学习、燃烧及流动等。

　　3■★◆★■. 对前沿火焰微团在传播与形态转变时的预混与扩散分支的化学结构进行了剖析，结果表明预混分支在整个过程中对燃烧热释放起主导作用的基元反应基本保持一致■◆★■◆，但对扩散分支而言则情况有所不同◆◆：在经历火焰形态转变后◆★，次甲基自由基（CH）的碳原子抽提反应的反应速率大幅降低，而一些氢自由基和水分子的生成反应的速率得到了加强◆■◆◆★。

　　MEMS微机电系统的快速发展对其能量供应系统提出了更高的要求。具有高能量密度的微尺度燃烧（~mm级别）技术有望应用在将来的微型能量系统中。微尺度燃烧的基础研究将为该系统的设计提供理论上的指导◆◆■■。微小尺度下增强的气体-燃烧器壁面的热耦合作用使火焰呈现出常规尺度下未曾观测到的各种特殊现象。扩散“火焰街★★★■■■”（Flame-street）现象是其中一个非常有趣的例子★★■：火焰在狭窄通道中以数个微团的形式沿着混合层独立存在，呈现出◆◆◆“长条◆◆★■★◆”状或■◆★★◆■“弯勾”状形态■◆■◆◆★。热膨胀效应作用下火焰微团的离散分布使得流场速度与流线周期性地增大/减小与发散/聚合◆■◆，从某种意义上与★◆◆“卡门涡街”的特征类似，这也是“火焰街◆■★★”的命名由来。深入理解此类现象的物理机制对未来该类微型扩散燃烧器系统的设计开发具有重要理论指导意义。

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学■★、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题★◆◆★◆，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群■■◆◆◆■，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录◆◆，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表★■◆★。

　　Frontiers in Energy出版能源领域原创研究论文、综述■◆、科学快报★■、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源◆★★、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题◆◆★。

　　高等教育出版社入选“中国科技期刊卓越行动计划”集群化项目◆■。Frontier系列期刊中★■■◆★■：13种被SCI收录■■■★◆；1种被A&HCI收录；6种被Ei收录◆★◆■◆；2种被MEDLINE收录；11种中国科技核心期刊；16种被CSCD收录。

　　2. 发现了“火焰街”形成过程中其前沿火焰微团从快速传播阶段时的三叉结构转变到锚定在入口附近时的长条状扩散火焰；