氨氢混合燃料爆轰特性实验研究：组分与压力对稳定性的影响机制

为应对氨氢混合燃料在燃烧系统中存在的爆轰安全隐患，研究人员通过5000 mm爆轰管实验系统，探究了氨含量≤25%的NH3-H2-Air混合气爆轰特性。研究发现氨比例增加会降低爆轰稳定性，提出无量纲参数D/λ验证管径满足多波头爆轰要求，为氨基燃料安全应用提供关键数据支撑。

　　

在全球碳中和能源转型的迫切需求下，氨(NH₃)和氢(H₂)作为互补的清洁能源载体备受关注。氨具有优异的储运特性，而氢则展现出更高的燃烧效率，两者的混合使用有望突破纯氨燃烧存在的火焰传播慢、点火能量高等瓶颈。然而，这种"强强联合"也带来了新的挑战——氨氢混合气的爆轰特性复杂多变，其安全风险尚未被充分认知。特别是在实际应用中，氨体积分数通常需控制在25%以下，这一浓度区间的爆轰参数如细胞尺寸、临界压力等关键数据仍存在空白。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表了最新研究成果。研究采用5000 mm长爆轰管实验系统，结合压力传感器和烟膜技术，系统考察了不同氨含量(≤25%)混合气的爆轰速度、峰值压力、细胞结构等特性参数。实验创新性地提出无量纲参数D/λ（爆轰速度与细胞宽度比值）来评估爆轰稳定性，所有测试混合气的D/λ比值均大于1，证实实验管径满足多波头爆轰结构的最小尺寸要求。

关键技术方法包括：1) 使用内径40 mm的钢制爆轰管分段系统（驱动段3000 mm+测试段2000 mm）；2) KTGD-C可调点火器（100 mJ点火能量）引发爆轰；3) 压力传感器实时监测波阵面动态；4) 烟膜技术记录细胞结构特征。

【Experimental details】实验系统通过法兰连接驱动段与测试段，精确控制初始压力条件，确保爆轰波稳定传播。

【Detonation cell analysis】烟膜分析显示，氨含量增加导致细胞结构不规则性加剧，波前由多个弯曲波面组成，横向波、入射波和马赫杆运动轨迹形成特征性细胞图案。

【Conclusion】主要结论包括：1) 氨比例升高会显著降低爆轰稳定性，表现为速度波动增大和细胞不规则性增强；2) 峰值压力与初始压力呈正相关，但在高氨浓度下因稀释效应而减弱；3) 临界爆轰压力随氨含量系统性上升，归因于其化学抑制作用；4) 提出的D/λ参数为爆轰极限判定提供了新标准。

该研究首次系统量化了氨氢混合燃料的爆轰特性变化规律，特别是填补了25%氨浓度区间关键参数的空白。研究发现氨的化学抑制作用与氢的高反应活性之间存在复杂耦合效应，这种认识对优化氨基燃料配方、设计安全燃烧系统具有重要指导意义。提出的D/λ判定标准为爆轰管尺寸设计提供了理论依据，相关成果可直接应用于燃气轮机、内燃机等实际燃烧装置的防爆设计。研究不仅推进了燃烧学基础理论发展，也为碳中和能源系统的安全实施提供了关键技术支撑。