氢燃烧室边界层回火机制和预测方法综述

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30952

氢能飞行器技术专栏

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氢燃烧室边界层回火机制和预测方法综述

张晓旭¹, 肖为², 曹俊², 李维², 周华¹(), 任祝寅¹

^1.清华大学航空发动机研究院，北京 100084
^2.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002

收稿日期:2024-07-17 修回日期:2024-09-02 接受日期:2024-09-24 出版日期:2025-05-15 发布日期:2024-09-29
通讯作者: 周华 E-mail:zhouhua@mail.tsinghua.edu.cn

Review of mechanism and prediction model of boundary layer flashback in hydrogen-fueled combustor

Xiaoxu ZHANG¹, Wei XIAO², Jun CAO², Wei LI², Hua ZHOU¹(), Zhuyin REN¹

^1.Institute for Aero Engine，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^2.AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China

Received:2024-07-17 Revised:2024-09-02 Accepted:2024-09-24 Online:2025-05-15 Published:2024-09-29
Contact: Hua ZHOU E-mail:zhouhua@mail.tsinghua.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

“双碳”背景下，氢气作为一种零碳清洁燃料，受到了航空业的广泛关注。相比于航空煤油，氢气具有更高的火焰传播速度、更薄的火焰厚度，增大了氢燃烧室发生回火的风险。目前广泛使用的微预混燃烧技术虽然可以有效降低核心流回火风险，但是边界层回火的风险依然存在。如何在设计阶段准确预测边界层回火，进而在运行阶段规避喷嘴回火风险，是研制氢燃料燃烧室面临的关键技术挑战。针对氢燃烧边界层回火问题，分析了氢燃料分子输运、火焰传播特性对于边界层回火的影响，综述了针对无旋边界层回火和旋流边界层回火的实验测量和数值仿真发现，梳理了近几十年来发展的层流和湍流边界层回火判据，介绍了近期发展的快速边界层回火预测方法，讨论了氢燃料边界层回火研究面临的挑战，展望了氢燃料边界层回火判据与建模的发展趋势。

关键词: 氢燃烧, 边界层回火, 差异扩散, 回火机制, 回火判据

Abstract:

In the pursuit of a carbon-neutral society， hydrogen， as a zero-carbon fuel， has gained significant attention in aviation propulsion systems. Hydrogen has a higher flame propagation speed and a thinner flame thickness， which increases the risk of flashback in the design and operation of hydrogen-fueled combustor. The widely used micro-mixer nozzle effectively prevents core flow flashback by increasing axial velocity. However， the boundary layer flashback remains a challenging issue in the hydrogen-fueled combustor. This paper gives a review of the research on the boundary layer flashback of hydrogen-fueled combustor. The flame propagation characteristics and unique molecular transport properties of hydrogen are examined. Experimental and numerical simulations for non-swirling and swirling boundary layer flashback are reviewed. The flashback criteria on the laminar and turbulent boundary layer developed over recent decades are summarized. The fast flashback prediction method is introduced. Current challenges in the research on boundary layer flashback in hydrogen-fueled combustors， and the future development of boundary layer flashback criterion and modeling for premixed hydrogen flames is also discussed.

Key words: hydrogen combustion, boundary layer flashback, differential diffusion, flashback mechanism, flashback criteria

中图分类号:

V231.2

张晓旭, 肖为, 曹俊, 李维, 周华, 任祝寅. 氢燃烧室边界层回火机制和预测方法综述[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630952.

Xiaoxu ZHANG, Wei XIAO, Jun CAO, Wei LI, Hua ZHOU, Zhuyin REN. Review of mechanism and prediction model of boundary layer flashback in hydrogen-fueled combustor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 630952.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表 1

图 10

图 11

表 2

层流边界层回火判据

判据提出人与提出年份

回火判据形式

验证实验

核心假设与理论

Putnam和Jensen^［48］，1948

$P e f l o w ≤ P e f l a m e 2 8 K 1 1 - K P e f l a m e$

定性预测趋势

层流管道回火实验

临界速度梯度

Wohl^［45］，1953

$g ≤ g c = C S L δ f$

定性预测趋势

层流管道回火实验

平板边界层回火实验

临界速度梯度

Berlad和Potter^［46］，1957

$g ≤ g c = C S L δ q$

定性预测趋势

层流管道回火实验

平板边界层回火实验

临界速度梯度

表 2

表 3

湍流边界层回火判据

判据提出人与提出年份	回火判据形式	验证实验	核心假设与理论
Khitrin等^［47］，1965	$P e f l a m e ≥ δ p D R e 1.8 P r$ 定性预测趋势	层流与湍流管道回火实验甲烷空气火焰 T_u=293~673 K p=1 atm	临界速度梯度
Lin等^［50］，2013	$g ≤ g c = S T L e × δ f$ 定量预测回火极限	湍流管道回火实验 X（H₂）=50% T_u=293~673 K p=1~15 atm	临界速度梯度
Kalantari等^［51］，2016	$D a = C L e 1.68 P e f l a m e 1.91 T u T 0 2.57$ · $T t i p T 0 - 0.49 P P 0 - 2.1 ≥ 1$ 定性预测趋势	湍流管道回火实验氢气空气火焰 T_u=300~500 K p=3~8 atm	临界速度梯度
Hoferichter等^［52-53］，2017	$U ≤ U C, F B = 2.172 7 S T, m a x T a d T u - 1$ 定量预测回火极限	湍流槽道回火实验氢气空气火焰 T_u=293~673 K p=1 atm	边界层分离
Ebi等^［38］，2021	$K a F B = τ f l a m e τ f l o w ≤ 1$ 定性预测趋势	旋流钝体回火实验氢气/甲烷空气火焰 X（H₂）=50%~100% T_u=293~523 K p=1~7.5 atm	临界速度梯度
Novoselov等^［54］，2022	$S L, e x t 2 α g ≥ 1$ 定量预测回火极限	旋流钝体回火实验氢气/甲烷空气火焰 X（H₂）=50%~100% T_u=293~523 K p=1~7.5 atm	临界速度梯度

表 3

图 12

图 13

图 14

参考文献 59

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

算例	回火速度/（m·s^-1）
算例	实验值	T_wall=500 K	绝热壁面
Soret，DD	0.94	0.845 7	1.023 2
Soret，Le=1		0.842 5	0.889 1
w/o Soret，DD		0.527 6	0.610 8
w/o Soret，Le=1		0.240 2	0.269 2

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氢燃烧室边界层回火机制和预测方法综述

Review of mechanism and prediction model of boundary layer flashback in hydrogen-fueled combustor

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