在分流喷射条件下对氢喷射动力学的全面评估

《Fuel》：Comprehensive assessment of hydrogen jet dynamics under split-injection conditions

分层燃烧中氢气直接喷射的混合均匀性研究通过实验与计算流体动力学模拟进行。采用激光诱导击穿光谱（LIBS）定量测量氢气浓度，结合CFD模拟分析喷射过程中的空气动力学特性。结果表明，首次喷射持续时间短可增强涡旋结构，促进两段喷射的相互作用，从而提高混合均匀性。

　　本研究探讨了氢气在分层燃烧技术中的混合特性，重点分析了分段喷射策略对氢气混合过程的影响。随着全球对可持续能源和碳中性技术的关注日益增加，氢气作为一种清洁能源载体，因其零碳排放、快速燃烧和宽泛的可燃范围而备受瞩目。然而，氢气的低体积能量密度和快速燃烧特性也带来了诸如体积效率降低和回火风险等挑战。因此，直接喷射（DI）技术被引入以解决这些问题，但同时也带来了空气-燃料混合均匀性不足的问题，可能导致局部富燃料区域，进而影响排放性能。本文通过实验和计算方法，结合激光诱导击穿光谱（LIBS）和计算流体力学（CFD）模拟，深入研究了氢气喷射过程中涡旋结构的形成及其对混合过程的影响。

在实验部分，研究团队使用了常体积燃烧室（CVC）来模拟发动机内部的燃烧环境。通过LIBS技术，他们能够精确测量氢气喷射过程中不同区域的等效比，从而获得氢气混合分布的定量信息。LIBS利用高能激光脉冲在样品中产生等离子体，并通过分析等离子体的发射光谱来确定氢气浓度和混合状态。此外，Z型Schlieren成像技术被用来可视化氢气喷射的混合过程，提供直观的流体动力学信息。实验过程中，氢气在10 MPa的压力下通过直接喷射空心锥喷嘴注入燃烧室，燃烧室内部温度由外部加热器控制以确保测试条件的一致性。这些实验手段为后续的CFD模拟提供了关键的验证数据。

在计算部分，研究团队构建了CFD模型，以模拟氢气喷射过程中的流体动力学行为。CFD模型通过求解流体力学和化学动力学的基本方程，能够预测氢气喷射后的混合分布情况。通过与实验数据的对比，研究团队验证了CFD模型的准确性，并进一步利用该模型分析了不同喷射参数对氢气混合效果的影响。特别是，他们关注了第一段喷射和第二段喷射之间的相互作用。研究表明，第一段喷射在喷射过程中会形成一个向上的涡旋结构，这种涡旋结构对氢气的扩散和混合起到了关键作用。第一段喷射时间越短，涡旋结构越强，从而促进了第一段和第二段喷射之间的相互作用，提高了混合效果。

氢气喷射过程中涡旋的形成主要与喷嘴结构和喷射参数有关。空心锥喷嘴的结构使得喷射的氢气在喷射初期形成一个低压核心区域，而这一低压区域会与周围的环境压力产生显著差异。这种压力差在喷射过程中会诱发涡旋的形成，进而影响氢气的混合特性。涡旋的形成不仅有助于氢气的扩散，还能增强喷射流与燃烧室壁面之间的相互作用，从而改善混合均匀性。此外，涡旋的存在还能促进燃烧过程的稳定性，减少局部高温区域的形成，从而降低氮氧化物（NOx）的排放。

研究团队还探讨了不同喷射比例对混合效果的影响。在实验中，他们比较了不同喷射时间分配策略对氢气混合过程的影响，发现3:7的喷射比例（即第一段喷射时间占总喷射时间的30%，第二段喷射时间占70%）能够显著增强氢气的径向扩散。这种增强的扩散效果主要归因于第一段喷射和第二段喷射之间的强相互作用。通过这种分段喷射策略，氢气能够在燃烧室内形成更均匀的混合分布，从而提高燃烧效率并减少排放。然而，研究也指出，过强的局部富燃料区域可能会导致燃烧温度升高，进而增加NOx的生成。因此，在优化喷射策略时，需要在燃烧稳定性和排放控制之间找到一个平衡点。

除了喷射时间的分配，研究还分析了喷射压力对混合过程的影响。氢气在高压下喷射时，其喷射速度和喷射范围都会受到影响。高压喷射能够提高氢气的初始动能，使其在燃烧室内扩散得更远，从而增加混合区域的覆盖范围。然而，过高的喷射压力可能会导致喷射流的湍流增强，反而影响混合的均匀性。因此，喷射压力的优化是提高氢气混合效果的关键因素之一。

此外，研究还探讨了喷射位置对混合过程的影响。喷射位置的不同会导致氢气在燃烧室内的分布差异，从而影响混合均匀性和燃烧稳定性。在实验中，喷射位置被设定在燃烧室的中心区域，以确保氢气能够均匀地扩散到整个燃烧室内。然而，研究也指出，喷射位置的调整可能有助于进一步优化混合效果，特别是在不同燃烧室几何结构下，喷射位置的选择需要根据具体的燃烧需求进行优化。

在实际应用中，氢气的喷射策略需要结合发动机的运行条件进行调整。例如，在高负荷条件下，氢气的喷射需要更加集中，以确保燃烧的稳定性；而在低负荷条件下，氢气的喷射可以更加分散，以提高混合均匀性。这种喷射策略的灵活性是氢气作为替代燃料的优势之一，但也对喷射系统的控制精度提出了更高的要求。因此，未来的氢气发动机研究需要进一步探索喷射策略的优化方法，以实现更高的燃烧效率和更低的排放水平。

综上所述，本研究通过实验和计算方法，系统地分析了氢气喷射过程中涡旋结构的形成及其对混合效果的影响。研究结果表明，分段喷射策略能够有效增强氢气的混合均匀性，提高燃烧效率并减少排放。特别是，第一段喷射的短时间设置能够增强涡旋结构，促进第一段和第二段喷射之间的相互作用，从而改善混合效果。这些发现为未来氢气发动机的设计和优化提供了重要的理论依据和实验数据支持。