氢/氧/氩预混燃烧过程中高温直接水喷射特性的数值研究及其对H2-APC发动机性能的影响

为解决氢燃料氩动力循环（H2-APC）发动机因爆震抑制难题导致的效率受限问题，研究人员通过三维计算模型探究了高温直接水喷射（DWI）在氢/氧/氩预混燃烧环境中的喷雾特性及其对燃烧过程的影响。研究发现，环境温度与压力显著影响喷雾索特平均直径（SMD）和穿透深度，且水喷雾与火焰接触后快速蒸发或裂解为OH活性基团，为H2-APC发动机高效运行提供了关键指导。

　　

在全球碳中和目标的推动下，氢燃料氩动力循环（H₂-APC）发动机因其高效率与零排放潜力成为研究热点。然而，氩气低比热容导致的高温爆震问题严重制约了其实际应用。传统方法如降低压缩比（CR）虽能缓解爆震，却牺牲了理论热效率。直接水喷射（DWI）技术通过冷却和稀释效应抑制爆震，但其在氢/氧/氩燃烧环境中的喷雾特性及作用机制尚不明确。

为解决这一问题，国内某研究团队基于实验台数据建立了三维计算模型，系统研究了高温DWI在氢/氧/氩预混燃烧中的特性。研究采用CONVERGE软件构建喷雾模型，结合SAGE详细化学动力学模型模拟燃烧过程，并通过网格独立性验证确保计算精度。实验数据验证了模型在亚冷态、过渡闪沸和剧烈闪沸三种喷雾状态下的可靠性。

环境温度对DWI特性的影响
研究发现，环境温度升高导致气体密度降低，喷雾索特平均直径（SMD）增大（3500 K时SMD达11 μm，2000 K时为7.5 μm）。高温环境下喷雾蒸发率波动加剧，蒸发质量分数超90%，但穿透深度随温度升高而减小（2000 K时为18 mm，3500 K时为14 mm）。

环境压力的作用
在恒定高温（3500 K）下，环境压力从10 MPa增至20 MPa时，SMD从8.7 μm降至6 μm，蒸发质量分数提升至99%。高压环境促使喷雾更集中，但穿透深度显著降低（10 MPa时为18 mm，20 MPa时为6 mm）。

DWI与燃烧过程的相互作用
不同温度喷雾对火焰传播影响各异：453 K亚冷喷雾均匀分布，513 K过渡闪沸喷雾因径向扩展更广，而543 K剧烈闪沸喷雾因塌缩导致轴向集中，引发火焰淬灭。此外，喷雾接触火焰后快速蒸发，部分液态水裂解为OH活性基团，进一步影响燃烧化学反应。

结论与意义
该研究揭示了高温高压环境下DWI喷雾的蒸发与破碎机制，明确了环境参数对喷雾形态和燃烧调控的关键作用。成果为H₂-APC发动机的爆震抑制和效率优化提供了理论依据，尤其指出通过调控水喷射温度与时机可实现燃烧过程精准控制。论文发表于《Fuel Processing Technology》，为清洁能源动力系统的设计提供了新思路。