高压闪沸条件下液氨喷雾微观特性的实验研究及其对内燃机燃烧模型的启示

为解决液氨作为零碳燃料在内燃机应用中缺乏精确雾化参数的问题，研究人员首次通过高精度PDIA技术系统研究了高压(80 MPa)和高环境压力(4 MPa)下液氨喷雾的微观特性。研究发现闪沸强度参数RP 显著影响索特平均直径(SMD)，在RP ≤0.3的强闪沸区SMD低至15 μm，为建立精确的液氨闪沸喷雾模型提供了关键实验依据。

　　

随着全球碳中和进程加速，液氨作为零碳燃料在内燃机领域的应用备受关注。然而这种低饱和蒸汽压(10.5 bar@300K)燃料独特的闪沸特性，使得传统喷雾模型难以准确预测其雾化行为。尤其在高压直喷条件下，缺乏精确的微观粒径分布数据成为制约燃烧模型开发的关键瓶颈。西安交通大学的研究团队在《Fuel》发表的研究，首次通过实验揭示了高压闪沸条件下液氨喷雾的微观演化规律。

研究采用单孔喷嘴(0.3 mm)结合高速纹影成像和颗粒/液滴图像分析(PDIA)系统，在80 MPa喷射压力和4 MPa环境压力范围内，系统测量了闪沸区(R_P
≤0.3)、过渡区(0.3<>_P
≤1)和非闪沸区(R_P

1)的Sauter平均直径(SMD)、特征粒径和液滴数密度等参数。通过恒容弹实验装置控制环境参数，结合温度控制器和热电偶实现精确温控，采用Z型schlieren光学路径捕捉喷雾形态演变。

喷雾形态
宏观观测显示液氨喷雾呈现集中射流特征，环境压力(P_amb
)比喷射压力(P_inj
)对喷雾发展影响更显著。在R_P
≤0.3时喷雾呈现明显闪沸特征，这与前期Cheng等学者的发现一致。

微观特性
PDIA分析首次获得高压条件下的粒径分布：强闪沸区SMD约15 μm，过渡区20 μm，非闪沸区24 μm。当R_P
从0.3增至1时，液滴数密度降低40%，证实闪沸强度与雾化效果呈负相关。80 MPa高压喷射产生的液滴粒径分布比40 MPa更均匀，验证了高压对二次破碎的促进作用。

环境温度影响
在300-400K范围内，环境温度升高主要加速蒸发而非显著改变粒径分布，这与传统燃料行为存在差异，说明液氨的相变过程更受压力主导。

该研究首次建立了高压液氨喷雾的微观参数数据库，特别是修正了现有模型在R_P
≤1区域的预测偏差。研究发现闪沸强度参数R_P
与SMD的定量关系，为Zhang等提出的Lagrange粒子跟踪模型提供了关键校准参数。对比甲醇/乙醇的数据，证实液氨在相同条件下更易实现微米级雾化，这解释了其快速蒸发的特性。研究结果对开发船用氨燃料发动机的喷射系统具有直接指导价值，国家自然科学基金资助项目(52488201)的后续研究将基于这些发现优化燃烧室设计。

值得注意的是，该团队发现传统Zuo-Langmuir Knudsen蒸发模型在R_P
<0.3区域存在系统性高估，这一现象被归因于液氨闪沸过程中独特的核化-聚合机制。这些发现不仅填补了氨喷雾基础研究的空白，更为实现国际海事组织(IMO)2050年减排目标提供了关键技术支撑。