综述：氨用于电力——通过计算流体动力学的基础燃烧：综述

《Applications in Energy and Combustion Science》：Ammonia for Power – Fundamental Combustion through Computational Fluid Dynamics: Review

　　

氨作为替代燃料已引起燃烧界的极大兴趣。该化学物质有望完全消除供暖、发电和推进过程中的碳，而无需进行广泛的基础设施开发，这对于远离电网的孤立地区是一个重要参数。因此，氨燃烧的研究从基础分析扩展到发电领域的吉瓦级实际应用。然而，实验研究通常缺乏关于自由基相互作用、混合物反应性、排放控制、火焰稳定性和可扩展性参数的进一步信息。因此，通过计算流体动力学（CFD）进行的数值模拟不仅提供了对氨燃烧挑战的详细洞察，还确保通过应用新颖方法，氨的解析对于具有如此巨大影响潜力的主题是准确、相关且经济可行的。因此，本综述涵盖了全球研究人员和技术专家目前评估氨作为能量载体的广泛文献调查。该综述从氨的现状开始，简要描述了CFD分析氨火焰的重要性。之后，该综述讨论了相关的CFD研究，主题从最基本的燃烧参数发展到创新应用，如液体喷射、等离子体和多孔介质系统。最后，提出了主要挑战和未来发展，结论涉及研究的多样性以及与使用CFD建模解决氨燃烧系统基本参数相关的最有趣的研究领域。本综述的新颖之处在于讨论了通过计算流体动力学进行的最新研究，旨在深入探索新技术，如小型燃烧器、液体雾化、等离子体系统和多孔介质，以将氨能源概念部署到新领域，包括中温加热、小型运输、家用应用甚至航空航天系统。

论文主体部分围绕氨燃烧的CFD建模展开，系统总结了从基础燃烧参数到创新应用的研究进展。以下按文章小标题总结：

**1. 引言（Introduction）**

引言部分首先阐述了能源需求增长与气候变化的背景，指出可再生能源存在间歇性和高部署成本的问题，需通过可行的储能方案解决。氢能理事会评估了氢能走廊，但基础设施不足和宏观经济挑战导致进展缓慢。氨作为全球第二大商业化化学品，具有150多年的贸易历史，其低压（~8 bar）或低温（-33°C）储存特性使其成为绿色氢运输和储存的理想载体，分解过程仅消耗约13%的能量含量。氨作为无碳燃料的潜力巨大，但面临点火质量差、燃烧速度低、能量密度低、可燃极限窄以及氮氧化物（NO_x）排放高等限制。因此，数值建模（特别是CFD）在解决这些挑战中发挥关键作用，能够提供对复杂燃烧过程的基础理解，并推动高效、稳定、清洁氨燃烧系统的开发。

**2. 基础燃烧系统（Fundamental Combustion Systems）**

**2.1 点火核（Kernels）**

点火核研究通过小尺度即时点燃体积分析氨混合物的燃烧趋势。Mukundakumar和Bastiaans的3D DNS分析显示，氢添加增加预混湍流氨-氢核的小尺度褶皱，这与氢的扩散效应有关。Gaucherand等人评估了NH₃/H₂/空气火焰的色散关系，发现减少氢会单调降低不稳定性，归因于氨浓度增加导致峰值增长率降低。Markstein长度、燃烧速度和Lewis数等参数被评估，揭示了热扩散不稳定性与当量比的关系。在发动机相关条件下，Yang等人发现更高的当量比导致火焰前锋褶皱减少，而氢添加增加了层流燃烧速度和火焰温度，并增强了NO形成。Du等人引入重力约束，发现重力加速了全局火焰传播，尤其在贫燃条件下。An等人研究了液体氨火焰，发现液体传播比气态慢，受蒸发冷却影响，且初始温度、液滴直径和当量比对点火过程有重要影响。总体而言，点火核研究表明，预测精度受化学反应性、输运驱动的火焰变形和热损失过程之间的竞争控制。

**2.2 层流火焰（Laminar Flames）**

层流火焰是燃烧中最简单的形式，用于验证反应机理和量化基础火焰特性。一维数值研究（One-Dimensional Numerical Studies）是评估化学动力学模型的主要工具，可提取层流燃烧速度（LBV）、火焰厚度和Markstein长度等参数。早期研究如Hayakawa等人测量了NH₃/空气火焰的燃烧速度，并比较了多种机理。后续机理开发如Nakamura等人、Da Rocha等人、Okafor等人以及Stagni等人提高了预测精度。一维模拟也用于分析火焰结构和污染物形成，例如Han等人通过热通量法获得LBV并分析自由基分布。机理简化方面，Nakamura等人生成了14种物种和45个反应的简化模型，并集成到CFD中。二维数值研究（Two-Dimensional Numerical Studies）捕捉了火焰曲率、差分扩散、壁面相互作用等效应。Cai等人研究了微燃烧室中的多孔板，发现燃料相关的NO源项主导了NO生成。Netzer等人通过DNS发现氢富集改变了NO形成位置，导致NO与OH峰值的空间分离。Da Rocha等人和Chen等人研究了燃烧器稳定火焰，发现壁面热损失和边界条件对火焰结构和NO排放有强烈影响。Gao等人引入了磁体力，Wang等人研究了混合CH₄-NH₃火焰的壁面淬熄效应。这些研究确认了燃料-NO路径在纯氨火焰中占主导，且在高压下发生变化。

**3. 湍流燃烧系统（Turbulent Combustion Systems）**

**3.1 研究燃烧器（Research burners）**

实验室规模燃烧器为湍流-火焰相互作用提供了宝贵见解。CFD方法包括RANS、LES和DNS。RANS模型（如EDC、FGM）能合理预测时间平均流场，但无法捕捉非稳态动态（如吹熄、回火）。Füzesi等人发现RANS无法描述高氨份额下的大幅振荡。LES能够解析大尺度湍流结构，在捕捉瞬态火焰动力学方面优于RANS，如Mazzotta等人、Wei等人和Bioche等人的工作。例如，Somarathne等人通过LES表明旋流能稳定纯氨火焰，而压力通过减少OH自由基来限制NO和NH₃滑移。DNS研究揭示了FGM在氨燃烧中的局限性，例如Wiseman等人发现湍流下HRR-进程变量关系与层流差异显著，表明氨火焰结构受湍流影响更强。排放预测是主要挑战，NO_x和N₂O的形成高度非线性且对局部条件敏感。Zhang等人发现壁面热损失显著影响NO和N₂O的平衡。化学机理的不确定性是另一个关键问题，Mashruk等人发现不同机理在NO预测上存在显著差异。火焰稳定方面，由于氨的层流火焰厚度大（~1.5 mm）且燃烧速度低（~7 cm/s），其Karlovitz数（Ka）约为甲烷的21倍，导致局部熄火风险高。Wang等人通过LES-DTF模型研究了轴向分级RQL燃烧器，发现二次火焰以扩散模式运行，偏离设计目标。

**3.2 不稳定性（Instabilities）**

氨掺混燃料常出现火焰不稳定性。Ma等人通过纹影分析和CHEMKIN-Pro研究表明，氢含量增加会增强褶皱，而高当量比提高稳定性。临界Peclet数与有效Lewis数和火焰厚度相关。Netzer等人通过2D DNS发现曲率对NO形成有显著影响：凹形曲率导致局部当量比增加，在贫燃条件下增加NO排放，富燃条件下减少。Rieth等人扩展了分析，发现曲率效应通过氢的扩散导致局部当量比富集和超绝热条件。Chakraborty等人通过DNS发现差分扩散产生局部化学计量或富燃口袋，影响应变率。Xu等人通过1D对冲火焰发现，优先扩散效应是导致非单调行为的主要因素，而有效Lewis数影响较小。Kinuta等人通过3D DNS发现氨添加提高了回火阻力，这是由燃烧速度降低、淬熄距离增加和曲率效应共同引起的。D’Alessio等人研究了Soret效应和压力对50-50%氢-氨混合物的影响，发现Soret效应仅对轻物种（H₂、H）重要，且压力增加促进了本征不稳定性的发生。Lehmann等人发现40% H₂摩尔含量的混合物表现出最强的不稳定性，这是由Lewis数和Zeldovich数共同作用的结果，且HO₂路径因氨添加而改变。

**3.3 液体喷射（Liquid Injection）**

液体氨喷射是新兴概念，具有高流量、去除蒸发系统等优势，但也面临NO_x、N₂O和未燃烧氨浓度升高的问题。氨的蒸气压和闪沸特性使雾化复杂化。Zembi等人通过CONVERGE v3.0模拟了闪沸和非闪沸喷雾，发现闪沸条件下Sauter平均直径（SMD）从40 μm降至10 μm，且喷雾末端因快速膨胀和蒸发热导致液滴重新凝结。Chen等人发现高压喷射下喷雾沿中心轴呈三阶段增长，对数增长区域最适合扩散燃烧点火。Yang等人通过LES研究喷嘴直径影响，发现直径增加导致更快的穿透、更大的角度和面积，但仅部分喷雾适合点火。An等人比较了液态与气态氨，发现液态降低了火焰传播速度和热释放，预加热可改善点火。Zhang等人提出了包含有限粘度、液滴变形和闪沸雾化的子模型，预测的阻力系数更低、蒸发率更高。Hu等人采用可变流量系数改进了KH-RT破碎模型。Jin等人基于无量纲数R_p定义了闪沸阶段，Song等人提出了多气泡闪沸破碎模型。Yi等人通过RANS和液滴跟踪方法研究了凝结特性，发现喷嘴几何形状和瞬态效应对凝结质量有显著影响。Xian等人评估了双燃料发动机中氨-柴油喷射，发现氨喷雾在高温高压下穿透距离比柴油短60%。Di-Matteo等人通过FGM方法探索了船用燃烧室中氨的点火条件。Ryoichi等人通过cp-DNS研究了液滴-火焰相互作用，发现液滴在火焰前缘附近蒸发，导致负曲率和热损失，且大多数液滴未与火焰直接相互作用。Chen等人发现壁面冷却增加会提高未燃烧NH₃和N₂O排放。Molkov等人模拟了液氨储罐突然释放，揭示了相变和界面传质的影响。Li等人提出了氨-煤油双燃料在超燃冲压发动机中的应用，利用氨的化学热沉进行热防护，将热交换器面积减少60%。

**3.4 多孔介质（Porous Media）**

多孔介质燃烧通过辐射和传导实现内部热再循环，可扩展可燃极限并降低污染物排放。Tolouei和Gharehghani通过数值优化发现，在孔隙率0.63、90%氨和化学计量条件下，CH₄/NH₃混合物的CO₂排放减少75%，NO_x减少10%。Chen等人发现多孔介质的热导率增加会降低最高温度并使高温区向入口移动。Nozari等人实验和数值研究了SiC多孔燃烧器，发现纯氨不稳定，但添加氢后稳定极限扩展，燃烧效率超过95%，吹熄阻力提高约40%。Hashemi等人发现变孔隙率下，火焰稳定性随当量比增加而增加，但高氨含量降低稳定性并增加NO排放，且热火焰厚度在化学计量附近显著减小。Rong等人通过熵和火用分析发现，多孔介质显著改善了热特性，但高孔隙率降低熵，火用效率与当量比成反比。Han等人设计了波浪形微燃烧室，发现波浪形壁面在速度>12 m/s时改善温度均匀性，NO_x排放减少约21%。Fu等人结合钝体，发现20%氨添加使辐射功率达到35.65 W。Udaybhanu等人使用两级多孔燃烧器，发现多孔泡沫使CO排放从320 ppm降至10 ppm以下，同时NO和NH₃排放显著降低，归因于未燃烧氨在后期分解NO。

**3.5 等离子体辅助氨燃烧（Plasma-assisted Ammonia Combustion）**

非平衡纳秒脉冲放电（NSD）能有效增强氨的反应性。零维模拟显示，等离子体能量通过激发和电离反应产生活性自由基（如H、O、OH），将氨的点火延迟时间降低多达五个数量级。一维模拟表明，NSD可将氨火焰速度提高一个数量级，并扩展可燃极限。与预加热或氢添加相比，NSD在相同能量输入下效果更优：例如，20次NSD（9 mJ cm^-3）使火焰速度提高2.3倍，相当于33.7%氢添加或271 K预加热。直接数值模拟（DNS）研究了湍流-等离子体-火焰的三向耦合，发现湍流改变了关键放热路径（如从HNO+H≤>NO+H₂转变为NH₂+NO≤>N₂+H₂O），且NSD比预加热和氢添加更有效，在贫燃和富燃条件下分别提高湍流火焰速度31%和26%，同时NO_x排放降低19%和35%。

**4. 主要挑战与发展方向（Major Challenges and Way forward）**

氨燃烧建模面临多参数耦合挑战，包括当量比、压力、温度、停留时间、燃料掺混、Lewis数、优先扩散、Soret效应、曲率、壁面热损失、辐射、湍流强度等。层流火焰研究需扩展至高压和高温工况，并增加球形传播火焰的数值模拟。液体喷雾方面，需改进闪沸模型和混合VOF-EL方法。等离子体模型需发展时间依赖的电子能量分布函数（EEDF）求解器和简化机理。多孔介质燃烧需进一步研究超绝热条件下的辐射和第三体反应。将基础CFD研究成果扩展至工业系统时，需考虑简化几何、壁面温度、简化化学和湍流-化学相互作用模型带来的不确定性。作者认为，小型燃烧器（0.5-10 kW）可用于中低温加热，液体喷射适用于移动应用，等离子体可用于航空航天，多孔介质有望替代天然气用于家用和商业领域。

**5. 结论（Conclusions）**

氨燃烧建模将持续增长，在基础理解、改进建模技术和工业实施中发挥关键作用。层流火焰研究建立了验证参考行为，二维模拟捕捉了曲率、优先扩散和壁面效应。CFD模拟表明闪沸主导喷雾形态，蒸发冷却影响点火，而等离子体辅助燃烧和自燃多孔介质提供了新的技术路径。未来需发展低成本计算策略，并解决复杂流-化耦合问题。