引言目前，节能和降低NOx、CO排放是制约燃气热水器[1]发展的关键问题之一。常用低氮燃烧技术包含预混燃烧、浓淡燃烧和烟气再循环等。预混燃烧具有温度低、燃烧完全和低氮特性，但存在燃烧稳定性差、火焰稳定范围窄等问题[2]。烟气再循环中，烟气中的二氧化碳和水蒸气会导致火焰传播速度降低，从而引起火焰不稳定问题。浓淡燃烧技术通过浓火焰稳定淡火焰，目前存在着CO和NO此消彼长的矛盾，导致当量比低、排烟损失高。Pires[3]等研究表明，浓火焰的火焰温度高于淡火焰，浓火焰存在较多H2、H和CO，而淡火焰存在较多的OH、O和O2，扩散火焰温度较高，是热力型NO和中间产物型N2O的主要生成位置。Duclohier[4]等采用复杂反应机理对浓淡燃烧进行模拟研究，随着浓火焰当量比增加和淡火焰当量比减少，淡火焰和扩散区火焰高度增加，扩散区顶部亮度减弱且逐步向淡火焰靠近。在研究范围内，浓火焰表现非常稳定，而淡火焰和扩散区容易发生抖动。Ganter[5]等研究发现，靠近壁面处存在较高浓度的CO积聚现象，由扩散作用导致CO向壁面积聚，而近壁面处的化学反应使得CO产生消耗。Lucio[6]等通过实验采用OH和CH化学发光法测量浓淡火焰局部当量比，研究发现，主火焰当量比为0.65，稳焰的当量比为1.2时，扩散区的局部当量比接近理论当量比。稳焰的当量比大于1.2时，扩散区向淡火焰迁移。近年来，混合物气流扰动和组分扰动引发的燃烧不稳定问题[6-7]引起研究人员的高度重视，问题的关键是火焰根部的稳定。文中通过数值计算研究浓淡燃烧的火焰之间、火焰与壁面之间的相互作用机制。1数值计算模型1.1基本控制方程由于火焰射流速度较低，模型假定为层流流动，浓火焰和淡火焰两侧为轴对称边界，采用分子动理论计算组分扩散，忽略热扩散及辐射的影响。基于上述假设建立基本控制方程。质量守恒方程为：∂ρ∂t+∇ρv⃑=0 (1)式中：ρ——密度，kg/m3；v⃑——速度矢量，m/s。动量守恒方程为：∂ρv⃑∂t=-∇P-(v⃑⋅∇)ρv⃑+∇⋅τ (2)τij=μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi-23δij∇⋅v⃑) (3)式中：P——压力，Pa；τ——应力张量；μ——动力黏度，(Pa·s)；ui、uj——速度分量，m/s；xi、xj——位移分量，m；λ——混合物的导热系数，W/(m·K)；δij——张量记号。能量守恒方程为：ρcp(∂T∂t+v⃑⋅∇T)=∇⋅(λ∇T)-∑k=1Kcpk(jk⃑⋅∇T)-∑k=1Khkω˙kWk (4)jk⃑=-ρWkWavDk,m∇Xk (5)式中：cp——比热容，J/(kg·K)；jk⃑——组分k的质量扩散通量，kg/(m2·s)；hk——组分k的焓值，J/kg；ω˙k——组分k的摩尔生成速率，mol/(m·s)；Wk——组分k的摩尔质量，kg/mol；Wav——混合物的平均摩尔质量，kg/mol；Dk,m——组分k相对于其他组分的混合物平均扩散系数，m2/s；Xk——组分k的摩尔分数。组分扩散方程为：∂(ρYk)∂t+∇⋅(ρv⃑Yk)=-(∇j⃑k)+ω˙kWk (6)∑k=1KYk=1 (7)式中：Yk——组分k的质量分数。混合气体中各组分的质量守恒方程见式(6)，由于组分中N2含量最高，通过式(7)计算质量分数并归一。组分k的扩散速度v⃑diff,k为：v⃑diff,k=-Dk,mYk(∇Yk+YkWav∇Wav) (8)Barlow提出以组分表示的局部当量比的计算公式为：ϕlocal=0.5XH2+XH2O+XCO2+XCO+2XCH40.5XCO+XH2O+XO2+XCO2 (9)1.2数值模拟方法浓淡燃烧的二维计算模型及边界条件如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F001图1浓淡燃烧的二维计算模型及边界条件模型左侧上下分别为稳焰火焰（浓火焰）和主火焰（淡火焰）的火孔，其直径分别为1 mm和2 mm，火孔间距2 mm。火孔侧壁面为恒壁温条件，火焰两侧为对称边界，出口为压力出口。计算工况为淡火焰流速1.0 m/s，当量比0.60~0.75；浓火焰流速0.5 m/s，当量比1.25。2模拟结果分析2.1火焰形态和传播速度取10%的OH最大浓度处作为火焰面位置，淡火焰当量比改变时火焰结构的分布情况如图2所示。在计算工况范围内，淡火焰的高度在3.5~6.0 mm范围内，浓火焰的高度在1 mm附近。随着淡火焰当量比增加，淡火焰高度逐渐降低，且火焰整体向浓火焰一侧倾斜，浓火焰的火焰高度基本不变。原因是当量比增加使火焰传播速度增加，导致火焰面向气流上游移动。同时，浓火焰的存在会将部分热量传递到淡火焰附近，使得淡火焰靠近浓火焰侧的火焰传播速度增加，火焰面向浓火焰一侧倾斜。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F002图2淡火焰当量比改变时火焰结构的分布情况淡火焰当量比为0.7时火焰面上火焰传播速度分布如图3所示。在火焰根部，淡火焰靠近浓火焰一侧的火焰面上火焰传播速度明显高于另一侧。靠近浓火焰一侧的淡火焰根部与壁面之间的距离较另一侧减小，说明浓火焰的加入增强了淡火焰的稳定性。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F003图3淡火焰当量比为0.7时火焰面上火焰传播速度分布2.2组分扩散为了进一步揭示浓火焰对淡火焰的影响机理，在淡火焰当量比为0.7的工况下，对质量分数量级大于10-3的几种主要组分的扩散进行对比分析。各组分的质量分数分布如图4所示。淡火焰两侧的CO2、H2O、O2的浓度分布规律相似，均在靠近浓火焰一侧呈现较大的浓度梯度。这说明浓火焰的存在改变了此处组分的反应及传递规律。CO和H2在浓火焰的火焰面上具有较高的浓度；而淡火焰的火焰面上OH、O2浓度较高，受浓火焰的影响，OH在靠近浓火焰一侧的浓度更高。图4各组分的质量分数分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F4a210.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F4a310.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F4a4为了研究火焰之间各组分的传质规律，对各组分在火焰根部x=0.000 3 m截面上的分布情况进行分析如图5所示。在火焰面上游，y轴方向上H2O、CO2、CO向上游扩散，CH4、O2向下游扩散；在x轴方向上，以浓淡火孔之间的中心线为分界，H2O、CO2分别向火焰方向扩散，CH4和O2则向远离火焰的方向扩散。在以上位置，H2O、CO2、O2的扩散速度均表现为靠近浓火焰的一侧整体高于另一侧，由靠近浓火焰一侧具有较大的浓度梯度导致。图5x=0.000 3 m处各组分扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F5a1（a）x方向扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F5a2（b）y方向扩散速度浓淡火焰中心线、浓淡火孔之间以及淡火焰外侧中线上各组分的扩散速度分布如图6~图9所示。图6淡火焰火孔中心线（y=0.002 m）处各组分扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F6a1（a）x方向扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F6a2（b）y方向扩散速度图7浓火焰火孔中心线（y=0.005 5 m）处各组分扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F7a1（a）x方向扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F7a2（b）y方向扩散速度图8浓淡火焰火孔之间中线（y=0.004 m）处，组分扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F8a1（a）x方向扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F8a2（b）y方向扩散速度图9淡火焰外侧中线（y=0）处，组分扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F9a1（a）x方向扩散速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F9a2（b）y方向扩散速度由图6、图7可知，扩散速度的峰值均相应出现在浓、淡火焰面附近。其中，淡火焰中心线上，O2、CH4、CO和H2沿y轴向下游扩散，H2O、CO2、OH向上游方向扩散；H2O、CO2、OH沿x轴向浓火焰方向扩散，CH4和O2向远离浓火焰方向扩散，CO在火焰面内部向浓火焰方向扩散，在火焰面外部向远离浓火焰方向扩散。浓火焰中心线上，O2、CH4和H2向下游扩散，H2O、CO2、OH向上游方向扩散，而CO在火焰面内部向上游扩散，在火焰面外侧向下游扩散；H2O、CO2、CO、OH沿x轴向远离淡火焰方向扩散，CH4和O2向淡火焰方向扩散。由图8、图9可知，火焰根部附近，浓淡火孔中心线上，CO2、O2向浓火焰方向扩散，CO、H2O向淡火焰方向扩散，该结果由浓淡火焰当量比不同导致；淡火焰外侧中线上，未受到浓火焰影响，H2O、CO2向淡火焰方向扩散，CO、O2向远离淡火焰方向扩散。根据局部当量比计算公式发现，由浓火焰向淡火焰扩散的CH4、CO、H2、OH等自由基和由淡火焰向浓火焰扩散的O2使得靠近浓火焰一侧的局部当量比增加，从而增加火焰传播速度，使淡火焰向浓火焰一侧倾斜。2.3化学反应生成H2O和CO2的反应如表1所示。x=0.000 3 m截面处H2O和CO2的生成速率如图10所示。生成H2O的主要反应为（1）（6）（7），且在靠近浓火焰一侧的淡火焰根部出现较高的峰值，H2由浓火焰向淡火焰扩散促进了此处H2O生成反应的发生。火焰根部CO2的生成反应主要为2号反应，生成速率的最高点在火焰的根部位置，且受浓火焰影响，靠近浓火焰一侧CO2的生成速率远大于另一侧。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.T001表1生成H2O和CO2的反应反应序号反应方程式（1）OH+H2=H2O+H（2）OH+OH=O+H2O（3）H+OH+M=H2O+M（4）HO2+OH=H2O+O2（5）HCO+OH=H2O+CO（6）CH2O+OH=HCO+H2O（7）CH4+OH=CH3+H2O（8）CH3O+OH=CH2O+H2O1CO+OH=CO2+H2CO+O+M=CO2+M注：反应序号对应图10中序号。图10x=0.000 3 m截面处H2O和CO2的生成速率10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F10a1（a）H2O生成速率10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.015.F10a2（b）CO2生成速率3结语文中研究浓淡燃烧中浓火焰与淡火焰之间的相互作用机制，得到的主要结论如下：浓火焰的存在使得淡火焰的火焰传播速度增加，火焰根部位置降低，增强了火焰稳定性。浓火焰存在较多的H2、CO，淡火焰存在较多的OH、O2，组分的扩散作用使得靠近浓火焰一侧的化学当量比增加，火焰传播速度增大，淡火焰的火焰面向浓火焰一侧倾斜。浓火焰为淡火焰提供CH4、CO、H2、OH等组分，改变了淡火焰的火焰根部的化学反应速率，使得更多的H2O和CO2在此处生成。