基于第二定律热力学的氨/氢-空气预混火焰熵产与?转换机理研究

本研究针对微燃烧器中NH3/H2-空气预混火焰的能量转换效率优化难题，通过三维数值模拟结合第二定律热力学分析，量化了化学熵产率（40-67.5%）的主导作用，揭示了NH2在反应路径中的关键影响（影响因子最高达0.367），并首次提出热力学-辐射转换效率（20-30%）低于化学-热机械转换效率（约75%）的结论，为微热光伏系统设计提供了理论依据。

　　

随着微型热光伏系统（MTPV）在分布式能源领域的应用拓展，其核心组件微燃烧器的效率瓶颈日益凸显。氨/氢混合燃料因零碳特性备受关注，但现有研究多聚焦火焰宏观特性，对能量转换的“质”与“量”双重损失机制缺乏系统认知。尤其在高温度梯度、多物理场耦合的微尺度燃烧中，化学反应的不可逆熵产与辐射?（exergy）传递的量化关系尚未明确，这直接制约着能量转换效率的进一步提升。

针对上述问题，研究人员通过建立三维微燃烧器模型，创新性地将熵产分析（EGR）与?流计算相结合。研究采用ANSYS Fluent 2020求解守恒方程，引入化学熵产率评估反应路径贡献度，并首次将辐射?光谱特性纳入效率评估体系。通过6组参数化案例（涵盖当量比0.8-1.0、混合比变化等），系统解析了火焰形态与熵产的关联规律。

熵分析模型
研究发现化学熵产占总熵产的40-67.5%，主导不可逆损失。通过敏感性分析锁定NH₂为关键中间体，其在当量比1.0、0.9、0.8时的影响因子分别为0.353、0.367、0.273，显著高于其他含氮物质。火焰位置与展向跨度对熵产分布呈现非线性调控特征。

?分析模型
化学?向热机械?的转换效率达75%，而热力学?向辐射?的转换效率仅20-30%。辐射?流计算显示，特定波段的能量品质显著影响光伏转换潜力，这为光谱选择性辐射器设计提供了新思路。

结论与意义
该研究通过多尺度热力学耦合分析，首次建立了NH₃/H₂火焰中熵产-?流的定量映射关系。不仅证实化学反应路径优化是提升效率的关键（如调控NH₂生成路径），更揭示了辐射?品质对MTPV系统的潜在影响。相关成果发表于《Fuel》，为下一代低碳微燃烧器的“能质协同”设计提供了理论工具。