微燃气轮机中氨/十二烷混合燃烧特性与排放规律的数值研究

为应对全球气候变化，研究人员针对氨(NH3)作为零碳燃料在燃气轮机应用中存在的火焰传播速度低、氮氧化物(NOx)排放高等问题，开展了氨/十二烷(nC12H26)混合燃烧的数值模拟研究。通过Aalto75化学反应机理结合雷诺应力模型(RSM)，揭示了不同掺氨比例(0-100%)下流场结构演变规律，发现掺氨导致主回流区(PRZ)分解为轮毂回流区(HRZ)和次级回流区(SRZ)，燃烧效率降低5%，但温度分布均匀性保持稳定。该研究为航空和能源领域低碳化技术提供了关键数据支撑。

　　

在全球气候变暖和能源转型的背景下，航空和能源领域正面临严峻的碳减排压力。氨(NH₃)作为一种零碳燃料备受关注，它不仅可以通过可再生能源生产"绿氨"，其体积能量密度更是液态氢的1.6倍。然而，氨燃料的推广面临两大技术瓶颈：其一是火焰传播速度仅为甲烷的五分之一，容易导致燃烧不稳定；其二是燃烧过程中会生成大量氮氧化物(NO_x)，这既来源于空气中的氮气，也来自氨分子本身的氮元素。

为突破这些技术障碍，科学家们尝试将氨与碳氢燃料混合燃烧。其中，十二烷(nC₁₂H₂₆)作为航空煤油的替代燃料，具有能量密度高、燃烧稳定的特点。清华大学的研究团队在《Fuel》发表的最新研究中，采用数值模拟方法深入探究了这种混合燃料在微燃气轮机燃烧室中的表现。

研究采用雷诺应力模型(RSM)模拟湍流流动，结合离散坐标法(DOM)处理辐射传热，并选用Aalto75简化化学反应机理（包含75种组分和451个反应）来描述复杂的燃烧化学反应。通过建立基于实验验证的罐式燃烧室模型，设置了从纯十二烷到纯氨的7种不同掺混工况。

在流场特性方面，研究发现随着氨掺混比例增加，燃料喷射速度提高导致主回流区(PRZ)逐渐缩小。当氨质量分数超过40%时，PRZ分解为轮毂回流区(HRZ)和两个对称的次级回流区(SRZ)。特别值得注意的是，80%氨掺混时SRZ达到最大尺寸，这是由于该工况下燃烧热膨胀效应最强所致。

温度场分布呈现出有趣的变化规律。中央低温区先扩大后缩小，形状从V型演变为液滴型。纯氨燃烧时出口平均温度(1047 K)较纯十二烷降低50 K，峰值温度下降100 K，但温度分布均匀性指标Pattern Factor保持在1.07-1.12之间，说明掺氨对温度场均匀性影响有限。燃烧效率从纯十二烷的92.2%降至纯氨的87.0%，这主要归因于氨的氧化动力学较慢。

通过分析未燃燃料分布发现，十二烷在燃烧室下游形成紧凑的高浓度区，而氨则产生延伸至出口的柱状分布区。反应路径分析揭示了不同掺混比例下NO的生成机制差异：当氨比例低于50%时，十二烷的低温化学效应产生大量OH和HO₂自由基，促进NH₃转化为NO；而高氨比例时，反应主要发生在1300-2100 K的高温区。

排放特性呈现出复杂的变化趋势。CO排放量随氨掺混先增后减，在纯氨时降为零；而NO排放则持续上升，这与柴油机中的"先降后升"趋势不同，研究者认为这是燃烧室结构差异导致的温度变化幅度不同所致。

该研究系统揭示了氨/十二烷混合燃料在燃气轮机中的燃烧特性和排放规律，为航空发动机和燃气轮机的低碳化设计提供了重要理论依据。特别是明确了掺氨比例对流场结构、温度分布和污染物生成的定量影响，为后续燃烧室优化设计指明了方向。未来研究可在此基础上，进一步探索燃烧室结构改进和运行参数优化，以实现更高的燃烧效率和更低的NO_x排放。