高温高压下氨/氢混合物的火焰传播速度：实验与动力学分析

《Proceedings of the Combustion Institute》：Flame propagation speed of ammonia/hydrogen mixtures at high temperature and pressure: Experimental and kinetic analysis

　　

摘要

氨/氢混合物是适用于实际燃烧系统的前景无碳燃料，但其在发动机相关高温高压条件下的火焰传播尚未得到充分量化，导致动力学模型预测存在较大不确定性。本研究利用快速压缩实验机（RCM），对氨/氢混合物的火焰传播速度进行了实验与动力学研究。通过结合时间分辨火焰成像和瞬态压力诊断技术，识别出早期传播阶段。在此阶段，球形火焰生长仅受压力上升的微弱影响，从而能够通过拉伸外推可靠地提取未拉伸火焰传播速度。实验在氢气分数0–50 vol%、温度655–765 K、压力1.0–2.0 MPa的化学计量条件下进行。结果表明，火焰演化经历四个阶段：拉伸主导加速、侧壁约束减速、流动诱导加速和约束控制减速。在早期阶段，火焰在准恒压条件下传播，使得可以进行线性外推以确定未拉伸火焰传播速度。未拉伸火焰传播速度随温度和氢气分数的增加而增大，但随压力的增加而降低。大多数动力学模型低估了实测速度，而Glarborg2023机理表现出最佳的整体一致性。这种优越性能主要归因于其对压力依赖反应速率常数的更新。本研究开发了一个新的幂律关联式，可在所有测试条件下以±10%的精度预测实测的未拉伸火焰传播速度。研究结果提供了发动机相关条件下化学计量氨/氢火焰传播的基准数据和预测关联式。

新颖性与意义声明

氨/氢混合物是前景无碳燃料，但其在高温高压同时作用下的火焰传播仍未得到充分约束，限制了动力学模型在发动机工作条件下的预测能力。本研究在光学可及的快速压缩实验机中实验量化了氨/氢火焰传播速度。一项关键创新是识别了受限火焰演化的四个阶段，并证明早期传播阶段足够接近准恒压条件，从而能够可靠地提取未拉伸火焰传播速度。测量数据为在高温高压下验证动力学模型提供了稀缺的基准数据。结合阶段分辨火焰分析、动力学模型评估和改进的幂律关联式，建立了一种具有物理基础的方法，可提高发动机相关条件下氨/氢燃烧预测能力。

引言

全球向碳中和能源系统转型，使人们对氨（NH₃）作为前景无碳能源载体产生了广泛兴趣。氨具有高体积能量密度、成熟的生产基础设施以及良好的储存和运输特性，使其对未来的脱碳能源系统具有吸引力[1]。然而，其低反应性、狭窄的可燃极限和缓慢的火焰传播阻碍了其在实际发动机中的直接应用[2]。掺氢可以有效缓解这些限制，通过增强自由基生成和燃烧速度，同时保持无碳燃料组成[3,4]。

层流火焰速度是表征火焰动力学和验证化学动力学模型的基本参数。NH₃/H₂混合物的层流火焰速度在常压条件下已通过球形火焰、射流火焰和热流方法进行了广泛测量[[5], [6], [7]]。Lee等人[5]观察到氨火焰速度随氢气加入显著增加，尤其在富燃料条件下。Kumar等人[6]在射流火焰中获得了较低的火焰速度，并将其归因于壁面热损失。Han等人[7]使用热流法测量氨氢火焰速度并优化了动力学模型。尽管有这些努力，动力学模型之间仍存在较大差异，这主要是由于缺乏高温高压下的可靠实验数据[8]。为减少这种不确定性，一些研究已将火焰速度测量扩展到更高温度或压力[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。Shawnam等人[12]使用外部加热的发散通道燃烧器测量了高达720 K的氨氢火焰速度，并报告了高温下实验与动力学模型之间的差异增加。Mei等人[16]在恒容室中测量了高达1.0 MPa的氨氢火焰速度，并更新了高压条件下的动力学模型。Wang等人[17]进一步将测量扩展到2.5 MPa。然而，实际发动机中典型的高温高压同时作用下的火焰传播仍未得到充分量化。这可能会损害发动机模拟的可靠性，因为目前使用的动力学模型缺乏高温高压条件下火焰传播速度的验证。因此，获取此类工作条件下的火焰速度数据对于量化火焰传播特性和评估发动机相关条件下的化学动力学模型至关重要。

在实际发动机中，未燃混合气经历同时的高温高压，两者都强烈影响自由基化学和反应速率[18]。传统实验平台通常仅改变一个热力学参数，而快速压缩实验机（RCM）可以实现发动机相关的压缩，同时提供光学可及性。Fan等人[19]使用RCM研究了发动机相关条件下乙醇/甲苯/初级参考燃料混合物的火焰传播速度。然而，侧壁点火导致火焰-壁面相互作用，影响了实测火焰速度。Goyal等人[20]在RCM中使用中央点火测量了甲醇/空气火焰速度，并证明活塞运动对早期火焰传播的影响可忽略不计。这些研究已确认，基于RCM的光学测量可以在发动机相关热力学条件下提供可靠的火焰传播速度数据。然而，氨/氢混合物的相应测量仍然稀缺。

为了填补这一空白，本研究使用光学可及的RCM，量化了发动机相关高温高压条件下氨/氢混合物的火焰传播速度。研究了氢气分数、温度和压力的影响。所得测量数据用于评估动力学模型，并开发未拉伸火焰传播速度的预测关联式。通过分辨受限条件下的早期火焰演化，本研究为发动机相关条件下化学计量氨/氢火焰传播提供了基准数据和机理洞察。

章节片段

实验装置与方法

实验在天津大学发动机国家重点实验室的快速压缩实验机（RCM）上进行。图1显示了RCM的示意图。RCM由液压驱动，电动机驱动油泵产生高压液压油，储存在约20 MPa的压力蓄能器中。加压的油被输送到由驱动活塞分隔的液压腔室。伺服阀调节油流以产生压差。

火焰传播特性

为评估NH₃/H₂混合物的火焰传播特性，图3展示了高温高压条件下（T_C = 655 K，P_C = 2 MPa），氢气分数为0%、10%、30%和50%时的火焰前锋演化情况。在所有情况下，火焰前锋保持近似圆形，表明整体火焰传播在光学窗口内保持径向对称。随着氢气分数的增加，火焰扩展更快并达到。

结论

本研究利用快速压缩实验机，在高温高压条件下实验研究了氨/氢混合物的火焰传播速度。结合时间分辨火焰成像和压力诊断技术，通过识别早期准恒压传播阶段，能够提取未拉伸火焰传播速度。

火焰演化经历四个阶段：拉伸主导加速、侧壁约束减速、

CRediT作者贡献声明

Lei Wang：撰写——初稿、形式分析、数据整理、概念构思。Zifan Lian：撰写——审阅与编辑、形式分析、数据整理。Xingqian Mao：撰写——审阅与编辑、指导。Chung K. Law：撰写——审阅与编辑。Haiqiao Wei：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理。Jiaying Pan：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理。

Lei Wang|Zifan Lian|Xingqian Mao|Chung K. Law|Haiqiao Wei|Jiaying Pan