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为解决氢喷射器研究中实验成本高、安全性差以及气体特性影响不明确的问题，研究人员以氩（Ar）、氦（He）、氮（N?）替代氢气（H?），对单孔 LPDI 氢喷射器进行实验和数值表征，发现 He 最适合表征射流锥角和穿透，N?适合研究近喷嘴区域，有助于优化喷射系统设计。
在全球积极应对气候变化的大背景下，交通领域正经历着一场深刻的绿色变革。传统燃油汽车排放的温室气体对环境造成了巨大压力，《巴黎协定》为全球温度上升设定了严格限制，欧洲更是出台政策，计划在 2035 年禁止销售汽油和柴油汽车，推动汽车行业向电气化转型。氢动力系统，无论是用于内燃机（ICEs）还是燃料电池（FCs），都因其零碳排放的优势，成为实现交通领域碳中和目标的重要解决方案。然而，氢燃料的特性给内燃机的改造带来了诸多挑战。氢具有高火焰传播速度和宽可燃范围，虽能实现超稀薄稳定燃烧，提高发动机热效率、降低氮氧化物（NO?）排放，但它的体积能量密度低，液化温度低，这不仅影响发动机的功率输出，还增加了车载储存系统的复杂性和安全风险。同时，氢的低点火能量也给燃烧控制带来困难。
为了攻克这些难题，推动氢动力内燃机的发展，研究人员迫切需要深入了解氢喷射器的工作原理和性能。由于氢气易燃易爆，实验操作存在风险且成本高昂，因此寻找合适的惰性替代气体进行研究至关重要。在此背景下，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于单孔 LPDI（低压直接喷射，Low - Pressure Direct Injection）氢喷射器的实验和数值表征研究，相关成果发表在《Fuel》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 实验技术：采用纹影成像技术（Schlieren imaging），利用不同气体折射率差异可视化气体射流，获取射流的马赫锥形态；运用激光多普勒测振技术（Laser - Doppler Vibrometry，LDV）测量喷油器针阀的位移，为数值模拟提供输入数据；使用科里奥利质量流量计（Coriolis - type mass flow meter）测量不同工况下的平均喷入质量。
- 数值模拟技术：运用 Simcenter STAR - CCM + 软件进行稳态和瞬态模拟，通过合理设置计算域、边界条件和网格，采用合适的湍流模型和状态方程，对气体射流进行数值研究。
研究结果如下：
- 实验结果：通过对不同气体的流量测试，发现喷油器的喷射质量与气体特性（比热比 k 和气体常数 R）密切相关。在不同工况下，喷射压力均超过临界条件，喷油器处于超声速流动状态。从纹影图像中提取射流的穿透深度和锥角，发现 He 射流的穿透深度和最终锥角均大于 Ar 和 N?射流。随着喷射时间增加，He 与其他两种气体在射流尖端穿透深度上的差异逐渐减小。
- CFD 稳态模拟结果：模拟结果能够较好地再现质量流量随注入气体密度的变化趋势，相对误差在 1.5% - 7.5% 之间。CFD 模型计算得到的排放系数几乎恒定，验证了其对注入气体的低敏感性。通过监测射流柱的主要特征，发现气体最大速度受气体种类影响较大，H?的最大速度约为 Ar 的 5 倍。比较不同气体的马赫数、温度和压力等参数，发现双原子气体（N?/H?）与单原子气体（Ar/He）在这些参数上存在相似趋势。在马赫盘形态方面，CFD 模型能够较好地预测其形状变化趋势，但在轴向长度预测上存在一定偏差。通过对比实验和模拟结果，发现 N?和 H?的马赫盘宽度较大，且马赫盘形态与射流锥角之间的关系较弱。
- CFD 瞬态模拟结果：对 Case A 进行瞬态模拟，结果表明 CFD 模型能够较好地反映不同气体射流穿透深度的变化趋势。在预测射流锥角方面，基于密度梯度的方法比基于质量分数的方法更能准确地再现射流形状和锥角随注入气体的变化。研究还发现，He 和 H?的射流形态相似，而使用较重的惰性气体替代 H?会导致射流穿透深度和锥角降低。
研究结论和讨论部分指出，该研究综合实验和数值模拟，明确了惰性气体替代氢气的可行性和局限性。He 与 H?在射流锥角和穿透方面具有很强的相似性，是表征 H?喷射器这两个参数的最佳替代气体；而 N?在研究近喷嘴区域和马赫盘结构时表现更优，因其与 H?在这些方面具有相似的特性。研究还强调了选择合适的阈值来跟踪 CFD 中气体射流演化的重要性，基于密度梯度的方法在模拟条件下能够更好地匹配实验锥角。这一研究成果为氢喷射器的设计和优化提供了重要依据，有助于推动氢动力内燃机技术的发展，对实现交通领域的碳中和目标具有重要意义。同时，研究人员也提出未来应使用不同的喷油器配置进行更全面的验证，进一步深入研究氢喷射和射流 - 空气混合过程，为燃烧室及相关部件的设计提供更有力的支持。
