喷气发动机中氨-氢混合航空燃料的CFD研究：燃烧特性与排放调控机制分析

为应对航空业温室气体减排挑战，本研究通过CFD模拟分析了GTM-120微型燃气轮机中煤油-氢-氨三元燃料的燃烧特性。结果表明：氨掺入可显著降低CO排放（从0.74 ppm至0.0158 ppm），但需平衡氢引发的NOX激增（最高达344.5 ppm）。该研究为开发下一代低排放航空燃料组合提供了关键数据支撑，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

全球航空业贡献了约4%的人为温室效应，而传统航空燃料的碳足迹问题日益严峻。面对这一挑战，寻找兼具高能量密度与低排放特性的替代燃料成为研究热点。氢能虽具有零碳优势，但其存储难题和高NO_X排放制约了应用；氨燃料虽易储运但存在燃烧稳定性差的问题。如何通过燃料组合优化实现排放与性能的平衡，成为突破航空业减排瓶颈的关键科学问题。

本研究采用计算流体力学(CFD)技术对GTM-120微型燃气轮机开展三维模拟，通过非预混燃烧模型分析不同燃料配比（煤油≤50%、氨5-45%、氢变量）下的燃烧特性。关键技术包括：1）基于JETPOL提供的发动机三维模型构建仿真体系；2）恒定热功率条件下对比九种燃料组合；3）监测火焰温度、CO/CO₂/NO_X排放等关键参数。

数值模型
采用准逆流环形燃烧室结构，通过Realizable k-ε湍流模型和EDC（涡耗散概念）燃烧模型捕捉多组分反应动力学。

结果与讨论

1. 氢的促进作用：氢掺入使火焰温度提升187K，但导致CO排放仅降低12%，且引发热力型NO_X(thermal NO_X)激增，在50%煤油-45%氢-5%氨配比时达344.5 ppm。
2. 氨的调控效应：氨比例增至45%时，通过降低火焰温度（ΔT≈230K）抑制热力型NO_X，使排放降至14.26 ppm；同时CO减排率达98%，但完全燃烧产物CO₂升至3.21%。
3. 协同机制：氨作为氢载体，其氮元素通过燃料型NO_X(fuel NO_X)机制初期增加排放，但后续通过N+NO→N₂+O反应路径实现自净化。

结论
研究首次证实煤油-氢-氨三元体系在真实发动机中的可行性：氨的加入使CO/NO_X产生"此消彼长"效应，需通过精确配比（推荐氨30%-35%）实现排放平衡。该成果为开发基于氨氢协同的SAF技术路线提供了理论依据，其创新性体现在：1）揭示氨对Zeldovich机理（热力型NO_X主导）的抑制作用；2）量化三组分燃料的层流火焰速度调控规律。未来研究需结合蒸汽喷射等技术进一步优化燃烧效率。