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

作者：Kyutae Kim | 大田韓國科學技術院航空航天工程副教授

Kiyoung Jung | Ansys主任應用工程師

編輯整理：姚翔 | Ansys高級應用工程師

位于大田的韓國科學技術院（KAIST）正在與Ansys合作，利用大渦模擬仿真預測氫甲烷混合火焰的火焰結構。

氫已成為了碳中和燃料的首選，這是因為其燃燒時沒有碳排放，對凈零倡議極具吸引力。與典型碳氫化合物相比，氫燃料具有更高的火焰速度（高8倍）、更低的點火能量要求（低15倍）以及更大的可燃性限值（4%-70%）。氫的這些特征，為設計基于氫燃料及氫混合燃料的能源轉換系統提供了機遇，但同時也帶來了挑戰。

比如，氫的特征有助于提高效率和燃燒穩定性。然而，氫更高的火焰速度和更大的可燃性限值為回火及其它安全相關問題帶來了關鍵挑戰；氫火焰更高的火焰溫度，則為氮氧化物和金屬保護帶來了挑戰。由于氫的路易斯數（熱擴散率與質量擴散率之比）較低，導致其存在顯著的差異擴散效應，而這是引起燃燒不穩定性的主要因素。差異擴散效應將導致局部等效比變化，從而導致沿火焰前緣的反應速率發生變化。因此，大規模采用氫作為更清潔的燃料的進程，取決于解決與回火、氮氧化物排放和燃燒不穩定有關問題的速度。

一些研究小組正在研究如何利用實驗室測試和仿真來緩解這些挑戰。大田韓國科學技術院和Ansys正在制定計算流體力學（CFD）方法和最佳實踐，以利用大渦模擬仿真（LES）預測氫甲烷混合火焰的火焰結構。

韓國科學技術院燃燒動力學與診斷實驗室開展的研究

KAIST CDDL正在研究重型燃氣輪機燃燒室、飛行器發動機加力燃燒室及雙推進劑液體火箭發動機的低頻及高頻燃燒不穩定性。其目前的研究工作側重于：

• 高頻燃燒不穩定性的觸發，以及相關復雜模態動力學和多千赫茲橫向熱聲波動的機理細節。
• 氨/氫基無碳燃氣輪機燃燒的激光診斷測量和數值仿真。
• 詳細表征先進軸向燃料分級燃燒系統中，橫向反應射流的自激勵動力學所產生的拓撲特征。

氫燃料及氫混合燃料的Ansys仿真方法

過去的燃燒模型和最佳實踐，大多是多年來基于碳氫化合物燃料發展而來的，并且有大量實驗數據作為支撐。不過，這些模型和最佳實踐還需要基于氫燃料和氫混合燃料進行研究驗證。Ansys CFD團隊一直在評估不同的燃燒建模方法。他們正在開發新模型和最佳實踐，以對基于氫燃料和氫混合燃料的反應流系統進行仿真，其中一些相關研究，過去幾年已在公開文獻上發表。有興趣的讀者可以參閱文末參考資料部分提到的博客和論文。

韓國科學技術院攜手Ansys預測火焰特征

韓國科學技術院研究小組在Kim教授的領導下，與Ansys合作，使用韓國科學技術院燃燒動力學與診斷實驗室生成的高質量氫及氫混合測試數據，制定CFD建模方法以預測火焰特征，并根據測試數據對其進行驗證。這些工作，將幫助研究界獲得有關燃燒系統的更多詳細信息，并設計更高效的未來系統。從實驗測試和仿真角度看，我們可以輕松將衍生模型和最佳實踐部署到復雜的工業案例中。

以下是從本次合作中獲得的一些示例結果。此外，我們之后還將發布有關所用方法及驗證工作的更多詳情。通過與頂尖研究人員合作，Ansys正在助力推動氫燃料的最新發展。敬請訪問Ansys系列氫能源網絡研討會中，詳細了解氫生產、存儲/運輸以及應用的整個氫能源價值鏈的主題內容。

參考資料

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論文集：渦輪機械技術會議和博覽會。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論文集：渦輪機械技術會議和博覽會。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論文集：渦輪機械技術會議和博覽會。Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions.Rotterdam, Netherlands, https://doi.org/10.1115/GT2022-82601