层流非预混对置流 H2–NH3 火焰中的双火焰区

《Proceedings of the Combustion Institute》：Double flame zone in laminar non-premixed counterflow H2–NH3 flames

　　

研究人员采用对置流燃烧器构型，实验研究了掺混 NH₃ 的层流 H₂ 非预混火焰的化学发光（CL）特征。NH₃ 体积分数（X_NH3）范围为 X_NH3 = 0%（纯 H₂）至 15%。氧化剂包括空气（Air）、O₂–N₂ 和 O₂–Ar。研究中利用多个窄带通滤光片（310 nm 至 660 nm）记录了可见光图像与化学发光图像。纯 H₂–Air 火焰表现为淡蓝/紫色可见特征，而仅掺入 1% NH₃ 即形成明显的上部（燃料侧）第二火焰层。随着 X_NH3 增大，该层颜色由蓝白色逐渐转变为 NH₃ 燃烧典型的黄/橙色调。下层（氧化剂侧）主要由 310 nm、430 nm、455 nm 和 515 nm 处的发射构成，而上层（燃料侧）则包含 430 nm 至 660 nm 范围内的发射。特别是，以 568 nm、633 nm 和 660 nm 为中心的发射仅在较高 X_NH3 条件下出现在上层（燃料侧）。双层结构与氧化剂类型无关，表明其来源于 NH_i 的分解/氧化，而非来自氧化剂中其他组分（碳或氮）相关化学过程。此外，在以空气或 O₂–N₂ 为氧化剂时，上部火焰层与 310 nm 峰值之间的间距在 X_NH3 = 1% 时平均为 2.52 mm，并在 X_NH3 = 15% 时减小至 1.25 mm。然而，当采用 O₂–Ar 作为氧化剂时，该间距增大，这可能由较高火焰温度引起的 H₂ 扩散增强所致。采用包含多种激发态物种的新 Konnov 机理所进行的一维（1-D）模拟证实了这一趋势。

该文发表于《Proceedings of the Combustion Institute》，围绕 H₂–NH₃ 非预混对置流火焰中“双火焰区”这一现象开展了系统研究，重点揭示氨掺混后层流扩散火焰化学发光（CL）分层结构的形成规律及其反应动力学根源。研究背景在于，氨（NH₃）与氢气（H₂）作为无碳燃料组合，在燃气轮机分级燃烧中具有降低碳排放和提升系统灵活性的潜力，但二级燃烧阶段的火焰结构与反应区分离机制尚未被充分理解。对于纯 H₂ 非预混火焰，通常只形成单一反应带并呈淡蓝紫色；而一旦掺入 NH₃，火焰会出现额外反应层并呈现分层发光特征。既有关于烃类双蓝焰的经典认识难以解释无碳 H₂–NH₃ 体系中的双层火焰，因此有必要在尽量排除空气组分干扰与复杂流动耦合的条件下，识别不同波长发射对应的激发态物种及其空间归属。

为解决上述问题，研究人员采用层流对置流燃烧器建立规范化非预混火焰，在恒定流量、常压和近室温条件下，系统改变燃料中 NH₃ 体积分数 X_NH3 以及氧化剂组成，比较 Air、O₂–N₂ 与 O₂–Ar 三类氧化环境下火焰可见特征和窄波段化学发光响应。研究结果表明，即使 NH₃ 掺量仅为 1%，火焰便由单层转变为双层结构；底层位于氧化剂侧，顶层位于燃料侧，且上层发光随 NH₃ 增加逐步由蓝白转向黄橙。研究进一步证明，该双层结构不是由氧化剂中的碳相关或氮相关化学过程主导，而是来源于 NH_i 自由基的分解与氧化过程。这一结论对氨燃料分级燃烧光学诊断方法的建立，以及对 H₂–NH₃ 燃烧器反应区结构的预测具有直接意义。

研究人员主要采用了三类关键技术方法。首先，利用对置流层流非预混燃烧器，在固定喷口间距、体积流量与温度条件下构建 H₂–NH₃ 火焰，并系统改变 X_NH3 和氧化剂组成。其次，采用数码成像与紫外敏感相机结合窄带通滤光片，对 310、430、455、515、568、633 和 660 nm 波段的化学发光进行成像，经过背景扣除、Gaussian 滤波与平均处理后提取轴向强度分布。再次，使用 CHEMKIN 平台并结合包含多种激发态物种的新 Konnov 机理进行一维（1-D）对置流扩散火焰模拟，以对实验中双层火焰的空间分离现象进行动力学解释。本文不涉及生物样本队列来源。

下面结合论文主体内容，按结果部分的小标题脉络进行凝练解读。

研究背景与引言部分指出，H₂ 与 NH₃ 混合燃烧是当前无碳燃料研究的核心方向之一。纯 H₂ 非预混火焰通常只表现为单一反应区，但 NH₃ 的加入会显著改变火焰结构。已有研究在 NH₃ 分级燃烧器中观察到具有蓝、白、红分层色调的双层火焰，而直接数值模拟（DNS）也支持 H₂–NH₃ 混合层中存在复杂的结构分离。然而，烃类双蓝焰理论依赖 CH^*、C₂^* 或 CO₂^* 等碳基发光机制，并不能直接解释无碳燃料体系中的可见发光来源。因此，论文提出通过去除氧化剂中的碳和部分氮影响，并在对置流规范火焰中引入少量 NH₃，追踪不同波长发射的空间分布，从而明确双层火焰的起源。

2. Experimental methods
这一部分主要建立了实验与数值分析框架。研究人员使用两个出口直径 10 mm 的对向喷口稳定层流非预混火焰，喷口间距保持为 L = 11 mm，以减弱二维效应。燃料侧自上而下供给 H₂–NH₃ 混合气，氧化剂侧自下而上供给氧化气流，外加 N₂ 共流以抑制火焰振荡。实验在 1.5 SLPM、294 K、常压条件下进行，X_NH3 从 0 增至 15%。光学诊断采用宽带可见成像和七个窄带滤光片化学发光成像，滤光片中心波长覆盖紫外至可见红光区。与此同时，研究人员利用包含 OH^*、NH₂^*、NO₂^*、NH^*、N₂^*、NO^*、CO₂^*、CH₂^*、O^*、O₂^* 等激发态物种的新 Konnov 机理开展一维模拟，并考虑多组分传输与热扩散效应，以适应高 H₂ 体系的扩散特征。

3. Results and discussion

Fig. 2：宽带火焰图像揭示 NH₃ 诱导的双层火焰形成
通过宽带时间平均图像，研究人员首先确认了纯 H₂ 火焰仅有单一可见火焰层，而当燃料中仅加入 1% NH₃ 时，即出现位于燃料侧的第二火焰层。随着 X_NH3 增大，该上层火焰颜色由蓝色/白色向黄色/橙色转变，同时双层之间的间隙逐渐减小。Air 与 O₂–N₂ 条件下火焰视觉特征几乎一致，说明空气中的微量碳组分并非决定性因素；O₂–Ar 则由于更高火焰温度使两层火焰更厚、更亮，但总体变化规律保持一致。由此得出初步结论：下层主要对应 H₂ 燃烧，上层则与 NH₃ 的分解/氧化相关。

Fig. 3：窄带化学发光图像区分上下两层发射来源
310 nm 图像在所有 X_NH3 条件下都只显示靠近氧化剂侧的单层结构，表明该波段对应的主发光区位于主氧化反应层。430 nm、455 nm 和 515 nm 在纯 H₂ 条件下已可见发射，因此这部分可见发光可能与过热 H₂O 及基态 OH 与其他自由基辐射复合生成激发态 H₂O₂、HO₂ 等过程有关。当加入 NH₃ 后，这些波段在燃料侧第二层中也明显增强。更关键的是，568 nm、633 nm 和 660 nm 发射主要只出现在燃料侧，且在较高 X_NH3 下更明显，表明这些红/橙区发射与 NH₃ 分解产物密切相关。

Fig. 4：轴向强度分布刻画双层火焰的空间分离
沿火焰中心轴向提取的强度分布表明，310 nm 峰值稳定出现在距燃料喷口约 5.70 mm 位置，且随 X_NH3 增大其强度下降。430 nm 呈现明显双峰分布：下峰与 310 nm 峰位置接近，上峰位于燃料侧并随 X_NH3 增大而增强且向下峰靠近。455–660 nm 波段总体也显示类似分离趋势，但随着中心波长增加，氧化剂侧峰值逐渐减弱，在 633 nm 和 660 nm 几乎只保留燃料侧峰。这一现象支持 633 nm 与 660 nm 可作为燃料侧特征反应层的光学标志。研究人员据此指出，随着 NH₃ 含量升高，双层间距减小，可能与 H₂ 向氧化剂侧扩散减少及温度分布改变有关。

Fig. 5：不同氧化剂下层间间距的归一化比较
研究人员计算了各波段燃料侧峰与 310 nm 峰之间的间距，并进一步按应变率（strain rate）归一化，以排除不同氧化剂密度导致的流动学差异。结果显示，对所有测试波长与氧化剂类型而言，间距均随 X_NH3 增加而减小。Air 与 O₂–N₂ 的结果高度重合，而 O₂–Ar 条件下间距更大，说明这种加宽不是流动减弱造成的假象，而是由更高火焰温度改变了热化学状态，增强 H₂ 质量扩散并将预热区向燃料侧进一步延伸。

Fig. 6：一维模拟验证激发态物种的分层分布
一维模拟从机理层面支持实验观察到的分层化学发光结构。模拟表明，双层火焰对应两组空间分离的激发态物种峰。氧化剂侧下层主要由 OH^*、NO₂^*、NO^*、O^* 和 O₂^* 主导；燃料侧上层则主要富集 NH₂^*、NH^*、N₂^* 和 NO^*。尤其对于 633 nm 与 660 nm，尽管 NH₂^* α 带和 NO₂^* 连续谱理论上都可能贡献红橙发射，但模拟将 NO₂^* 峰定位于氧化剂侧，而实验中这两个波段仅出现在燃料侧，因此可将其主要归因于 NH₂^*。该结果表明，扩散而来的 H 与 OH 自由基进入 NH₃ 流后，驱动 NH₂^* 形成，从而产生上层特征发光。

Fig. 7：OH^*–NH₂^* 峰间距与实验间隙趋势一致
模拟进一步量化了 OH^* 与 NH₂^* 峰值的空间距离。该距离随 X_NH3 单调减小；在固定 X_NH3 下，Air 与 O₂–N₂ 基本不变，而 O₂–Ar 显著增大。这与实验中 633 nm、660 nm 相对 310 nm 的间距变化趋势高度一致。尽管一维模型低估了绝对距离，但其对变化规律的重现支持将 633 nm 和 660 nm 用作跟踪燃料侧第二反应层的有效、非侵入式光学手段。

Fig. 8：积分强度与 X_NH3 的关系及诊断启示
对各波段轴向强度积分后发现，归一化累计强度随 X_NH3 的变化趋势基本不受氧化剂组成影响。310 nm 强度随 X_NH3 近线性下降，反映 NH₃ 掺混可能降低主反应区温度；而其余可见波段则表现出明显非线性响应，尤其 430 nm 与 455 nm 在低掺混区间迅速增加。633 nm 与 660 nm 呈现高度相似趋势，说明两者信息冗余，均主要反映同一宽谱特征。基于此，研究人员提出，以 310 nm、515 nm 和 568 nm 组成的三波长诊断方案更有潜力表征 X_NH3，因为它可以同时捕捉主氧化放热、N-H 中间体氧化以及 NO₂^* 路径等多变量信息，从而优于仅依赖双波长比值的方法。

讨论部分的核心在于，双层火焰并非简单的热效应或空气组分诱导现象，而是 H₂–NH₃ 非预混体系中强耦合扩散-反应过程的直接表现。底层反应区代表以 H₂ 氧化为主的主火焰前沿，而上层则对应 NH₃ 分解产物及 NH_i 中间体被来自主火焰区的活性自由基进一步氧化所形成的次级反应带。氧化剂切换实验与数值模拟共同说明，上层火焰的形成不依赖氧化剂中的碳或 N₂ 化学。与此同时，层间距对 X_NH3 和温度场非常敏感，使其不仅是结构表征参数，也可能成为未来分级燃烧监测和燃料组分反演的重要观测量。

研究结论部分可翻译概括如下：
研究人员通过实验考察了 H₂–NH₃ 层流非预混对置流火焰中燃料与氧化剂组成的影响，重点描述了双火焰现象的化学发光特征。结果表明，纯 H₂ 火焰仅形成单一反应区；而当燃料中掺入 NH₃ 时，即便体积分数低至 1%，也会形成双层火焰。底层位于氧化剂侧，包含以 310 nm、415 nm、455 nm 和 515 nm 为中心的发射；顶层位于燃料侧，包含所有测试可见波长范围内的发射，其中 568 nm、633 nm 和 660 nm 的发射尤其只出现在燃料侧。即使将空气替换为 O₂–N₂ 或 O₂–Ar，上层火焰的化学发光特征仍高度相似，因此可判定其来源于 NH_i 的分解/氧化，而非氧化剂中的碳或 N₂ 化学。上层与 310 nm 峰之间的间距随 X_NH3 增大而缩小，新 Konnov 机理的一维模拟支持这一趋势，这可能意味着随着 X_NH3 增加，H₂ 扩散减弱。最后，归一化累计轴向强度随 X_NH3 的变化趋势在不同氧化剂下基本一致；633 nm 与 660 nm 呈现相同变化规律，表明二者均可作为含 NH₃ 燃料侧反应层的互补标志。310 nm 呈线性变化，而全部可见波段均表现出非线性，因此联合 310 nm、515 nm 与 568 nm 的强度信息，有望更准确地预测燃料中的 X_NH3。