清洁能源 | 如何利用仿真技术应对氢燃料挑战

本文原刊登于Ansys.com：《How Simulation Addresses Hydrogen Fuel Challenges》

作者：Kyutae Kim | 大田韩国科学技术院航空航天工程副教授

Kiyoung Jung | Ansys主任应用工程师

编辑整理：姚翔 | Ansys高级应用工程师

位于大田的韩国科学技术院（KAIST）正在与Ansys合作，利用大涡模拟仿真预测氢甲烷混合火焰的火焰结构。

氢已成为了碳中和燃料的首选，这是因为其燃烧时没有碳排放，对净零倡议极具吸引力。与典型碳氢化合物相比，氢燃料具有更高的火焰速度（高8倍）、更低的点火能量要求（低15倍）以及更大的可燃性限值（4%-70%）。氢的这些特征，为设计基于氢燃料及氢混合燃料的能源转换系统提供了机遇，但同时也带来了挑战。

比如，氢的特征有助于提高效率和燃烧稳定性。然而，氢更高的火焰速度和更大的可燃性限值为回火及其它安全相关问题带来了关键挑战；氢火焰更高的火焰温度，则为氮氧化物和金属保护带来了挑战。由于氢的路易斯数（热扩散率与质量扩散率之比）较低，导致其存在显著的差异扩散效应，而这是引起燃烧不稳定性的主要因素。差异扩散效应将导致局部等效比变化，从而导致沿火焰前缘的反应速率发生变化。因此，大规模采用氢作为更清洁的燃料的进程，取决于解决与回火、氮氧化物排放和燃烧不稳定有关问题的速度。

一些研究小组正在研究如何利用实验室测试和仿真来缓解这些挑战。大田韩国科学技术院和Ansys正在制定计算流体力学（CFD）方法和最佳实践，以利用大涡模拟仿真（LES）预测氢甲烷混合火焰的火焰结构。

韩国科学技术院燃烧动力学与诊断实验室开展的研究

KAIST CDDL正在研究重型燃气轮机燃烧室、飞行器发动机加力燃烧室及双推进剂液体火箭发动机的低频及高频燃烧不稳定性。其目前的研究工作侧重于：

• 高频燃烧不稳定性的触发，以及相关复杂模态动力学和多千赫兹横向热声波动的机理细节。
• 氨/氢基无碳燃气轮机燃烧的激光诊断测量和数值仿真。
• 详细表征先进轴向燃料分级燃烧系统中，横向反应射流的自激励动力学所产生的拓扑特征。

氢燃料及氢混合燃料的Ansys仿真方法

过去的燃烧模型和最佳实践，大多是多年来基于碳氢化合物燃料发展而来的，并且有大量实验数据作为支撑。不过，这些模型和最佳实践还需要基于氢燃料和氢混合燃料进行研究验证。Ansys CFD团队一直在评估不同的燃烧建模方法。他们正在开发新模型和最佳实践，以对基于氢燃料和氢混合燃料的反应流系统进行仿真，其中一些相关研究，过去几年已在公开文献上发表。有兴趣的读者可以参阅文末参考资料部分提到的博客和论文。

韩国科学技术院携手Ansys预测火焰特征

韩国科学技术院研究小组在Kim教授的领导下，与Ansys合作，使用韩国科学技术院燃烧动力学与诊断实验室生成的高质量氢及氢混合测试数据，制定CFD建模方法以预测火焰特征，并根据测试数据对其进行验证。这些工作，将帮助研究界获得有关燃烧系统的更多详细信息，并设计更高效的未来系统。从实验测试和仿真角度看，我们可以轻松将衍生模型和最佳实践部署到复杂的工业案例中。

以下是从本次合作中获得的一些示例结果。此外，我们之后还将发布有关所用方法及验证工作的更多详情。通过与顶尖研究人员合作，Ansys正在助力推动氢燃料的最新发展。敬请访问Ansys系列氢能源网络研讨会中，详细了解氢生产、存储/运输以及应用的整个氢能源价值链的主题内容。

参考资料

1. U.J Pfahl, M.C Ross, J.E Shepherd, K.O Pasamehmetoglu, and C Unal, “Flammability limits, ignition energy, and flame speeds in H2–CH4–NH3–N2O–O2–N2 mixtures”, Combust Flame, 123, (1–2), 2000, pp. 140-158, https://doi.org/10.1016/S0010-2180(00)00152-8.

2. S. Shrivastava and I Verma, “Accelerate Hydrogen Adoption Using Simulation”, Ansys Blog, October 9, 2023, https://www.ansys.com/en-in/blog/accelerate-hydrogen-adoption-using-simulation

3. Vivek Kumar, “Why the Time is Right for Hydrogen”, Ansys Blog, June 27, 2022, https://www.ansys.com/en-in/blog/why-the-time-is-right-for-hydrogen

4. Verma, I, Yadav, R, Shrivastava, S, & Nakod, P., GT2022- 82583.ASME Turbo Expo 2022论文集：涡轮机械技术会议和博览会。Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine.Rotterdam, Netherlands.June 13–17, 2022.V002T03A012.ASME， https://doi.org/10.1115/GT2022-82583

5. Xia, Y, Verma, I, Nakod, P, Yadav, R, Orsino, S, & Li, S., GT2022-80733.ASME Turbo Expo 2022论文集：涡轮机械技术会议和博览会。Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine.Rotterdam, Netherlands.June 13–17, 2022.V002T03A004.ASME， https://doi.org/10.1115/1.4055104

6. Verma, I, Yadav, R, Ansari, N, Orsino, S, Li, S, & Nakod, P., GT2022- 82601。ASME Turbo Expo 2022论文集：涡轮机械技术会议和博览会。Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions.Rotterdam, Netherlands, https://doi.org/10.1115/GT2022-82601