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为解决氨作为燃料时喷雾蒸发影响燃烧效率与排放的问题，研究人员在 298~673 K、0.95 MPa 条件下研究单一氨液滴蒸发特性。发现液滴直径平方归一化值遵循 D2 定律，环境温度影响显著，模型与实验吻合。为优化氨喷雾燃烧提供依据。
在全球积极推进碳中和的背景下，传统化石燃料带来的碳排放问题亟待解决，氨（NH?）作为一种零碳燃料，因其高氢含量（17.8 wt%）和特定条件下合理的体积能量密度（11.3 GJ/m3），在交通、发电和工业领域展现出替代传统燃料的潜力。然而，氨作为燃料应用时面临诸多挑战：其较高的自燃温度、狭窄的可燃极限以及最小 8 mJ 的点火能量，导致氨 - 空气混合物燃烧困难，易产生大量 NO?、未燃 NH?和 N?O 排放。此外，氨喷雾蒸发特性对燃烧效率和排放形成至关重要，但相关机制尚不明确，例如闪蒸沸腾现象会显著改变喷雾角度、液滴尺寸和分布，影响燃料 - 空气混合，而强烈的蒸发冷却效应可能导致液滴在燃烧室滞留时间延长，引发壁面撞击和氨滞留问题。因此，深入理解氨液滴的蒸发特性，对于优化燃烧系统设计、减少污染物排放至关重要。
日本研究人员针对上述问题，开展了单一氨液滴在不同环境温度（298 K 至 673 K）和固定压力（0.95 MPa）下的蒸发特性研究。该研究成果发表在《Fuel》上，为氨燃料在重型发动机中的应用提供了关键数据支撑。
研究人员主要采用实验与理论模型结合的方法。通过实验测量液滴寿命、瞬时蒸发系数（K_inst）、液滴温度等关键参数，并构建包含自然对流的理论模型，分析环境温度、初始液滴温度对蒸发过程的影响。实验中未提及具体样本队列来源，但聚焦于单一液滴的蒸发行为观测。
物理和热力学性质
对比氨与乙醇的性质发现，氨具有更低的密度、粘度和表面张力，表明其喷雾特性更优。同时，氨的沸点和临界温度（T?）低于乙醇，而临界压力（P?）更高，这些特性使其在相同条件下蒸发行为更优，为后续蒸发实验提供了基础物性依据。
结果与讨论
蒸发规律与 D2 定律验证
实验表明，归一化液滴直径平方（D2/D?2）随时间呈线性下降，符合 D2 蒸发定律，但在蒸发后期出现偏差。这是由于杂质影响及液滴周围传热传质变化所致。瞬时蒸发系数（K_inst）随时间递减，反映出蒸发过程中热质传递效率的动态变化。
环境温度与初始液滴温度的影响
环境温度升高显著缩短液滴寿命并提高蒸发速率，这归因于环境气体向液滴的传热增强。相比之下，初始液滴温度对蒸发的影响极小，说明环境温度和压力是控制整体蒸发速率的主要因素，而非液滴初始状态。
液滴温度动态变化
蒸发初期，液滴因汽化潜热的蒸发冷却效应出现快速温度下降，随后在整个蒸发过程中保持相对稳定，表明环境气体传热与汽化所需热量达到热平衡状态。这一发现验证了蒸发过程中的热平衡机制。
理论模型与实验吻合度
包含自然对流的理论模型与实验结果高度吻合，突显了浮力诱导流动在氨液滴蒸发中的关键作用。这表明自然对流引起的流动状态对蒸发速率的预测不可或缺。
结论与意义
本研究系统揭示了氨液滴在高温高压条件下的蒸发特性：氨的低密度、低表面张力和低沸点促进蒸发，而高蒸气压和汽化潜热显著影响蒸发行为；环境温度是控制蒸发速率的核心因素，初始液滴温度影响可忽略；液滴温度在蒸发过程中维持热平衡，自然对流对蒸发过程起决定性作用。这些发现为优化液氨喷雾燃烧系统（如重型发动机）的设计提供了关键参数，有助于减少壁面撞击和氨滞留，提升燃烧效率并降低 NO?、N?O 和 NH?排放。同时，研究建立的理论模型为开发更全面的氨蒸发模型奠定了基础，推动氨作为零碳燃料的实际应用进程。
研究首次通过实验系统分析单一氨液滴蒸发特性，填补了该领域的研究空白，其结果对构建高效清洁的氨燃料燃烧技术具有重要指导意义，为全球能源转型中氨燃料的规模化应用提供了关键科学依据。
