《International Journal of Hydrogen Energy》：Interaction of ammonia droplets with spherically expanding laminar lean hydrogen–air flames
编辑推荐：
本文综述了通过双向耦合直接数值模拟（DNS）研究单分散液氨（NH3）液滴与球形扩张层流贫氢（H2）-空气火焰相互作用的工作。探讨了不同氨负载量（5–10%）和液滴尺寸（10–20 μm）下，液滴的蒸发冷却和局部富集效应如何显著改变火焰结构、引发早期不稳定（如褶皱）甚至导致熄火，并揭示了燃料NO是氮氧化物（NOx）生成的主要途径。
亮点
本文通过直接数值模拟（DNS）揭示了液氨（NH3）液滴与球形扩张的贫氢（H2）-空气火焰相互作用的精细机制。
案例描述
本研究探究了在初始当量比（Equivalence Ratio, φ）为0.8下，球形扩张的氢-空气火焰中掺入氨液滴的情况，以避免热扩散不稳定性。如图1所示，液滴随机分布在未燃混合物中。在后续工作中，火焰结构通常使用进程变量c来表征。火焰区（称为火焰内）由|?c|较大的区域标识，对应于化学反应发生的薄层。
数学模型
本研究采用双向耦合的欧拉-拉格朗日混合方法，探究了准层流条件下液氨液滴与预混氢-空气火焰的相互作用。通过该方法，液滴蒸发过程精确考虑了液滴半径的演变、周围气相的冷却以及蒸发氨气导致的气相物种质量分数的增加。气相动力学由质量、动量、能量和化学物种的守恒方程控制。
数值方法
本研究使用的数值求解器是EBI-DNS代码的修改版本，扩展包含了拉格朗日相。它在OpenFOAM框架内开发，基于有限体积法。空间离散采用高斯积分和单元中心间的线性插值，达到二阶精度，用于对流项和扩散项。时间推进采用可变时间步长，受限于足够低的最大库朗数（Courant number）。
火焰传播与形态
图3显示了不同氨负载量和液滴尺寸配置下，火焰尖端半径r、单位面积归一化燃烧速率Ω?和无量纲火焰面积Ac/A0的时间演变。火焰半径r的时间演化通常与消耗速度相关，后者主要由火焰面积Ac和单位面积燃烧速率Ω决定。火焰面积通过对整个计算域内的火焰面密度函数|?c|进行积分计算。
结论
本工作研究了液氨液滴与球形扩张的贫氢-空气火焰的相互作用。通过改变氨负载量和液滴直径，系统评估了准层流条件下蒸发冷却、混合物富集和火焰不稳定性的耦合效应。
- •
液氨（NH3）液滴通过蒸发冷却和改变的自由基化学，降低了单位火焰面积的燃烧速率。这种效应对于小液滴最为显著，可能导致……
