初始压力、湍流强度和当量比对氨-空气湍流火焰动力学的影响

《Combustion and Flame》：Effects of initial pressure, turbulence intensity and equivalence ratio on ammonia-air turbulent flame dynamics

氨气作为清洁燃料在发动机和燃气轮机中的应用需深入理解其湍流燃烧特性。本研究通过实验探究初始压力、湍流强度和当量比对氨气-空气湍流火焰动力学及爆炸超压的影响，提出高压下湍流燃烧速度关联式，建立考虑湍流加速效应的爆炸超压预测模型。研究表明：湍流强度增加使火焰结构从大尺度扭曲演变为小尺度碎片化，初始压力升高导致火焰皱褶尺度减小但密度增加，引入修正项可有效表征高压下湍流燃烧速度特性，补偿函数显著降低预测误差。

　　

梁波|高宇克|张凯|高伟|耿振芳|张嘉兴|卢汉|李彦超

大连工业大学化学工程学院，中国大连市陵工路2号，116024

摘要

在脱碳和能源转型的背景下，氨作为一种无碳燃料，在内燃机和燃气轮机中具有潜在的应用价值。为了进一步了解高压条件下氨-空气混合物的湍流燃烧特性，本研究探讨了初始压力、湍流强度和当量比对添加初始湍流后氨-空气湍流火焰动力学的影响。提出了一个关于高压初始条件下氨-空气混合物湍流燃烧速度的相关性模型，并建立了一种爆炸超压预测方法。研究结果表明：随着湍流强度的增加，Kolmogorov尺度减小，火焰形态从大尺度扭曲转变为小尺度碎片化结构；初始压力增加时，火焰结构的皱褶程度减小而密度增加。引入修正项[Da(P/P₀)]^0.25能有效描述高压条件下氨-空气混合物的湍流燃烧速度。所提出的湍流加速补偿函数有效降低了预测误差，确保预测模型能够准确捕捉到高压和不同湍流强度下的爆炸超压上升趋势。这一发现突显了湍流火焰加速在爆炸超压生成机制中的关键作用。

引言

化石燃料的短缺和过量的碳排放是人类面临的两大挑战。全球工业和交通的发展需要消耗大量化石燃料，从而导致碳排放过多。为了减轻碳排放引起的全球变暖后果，化石燃料的开采进一步加剧，形成了一个恶性循环。开发和利用可再生能源是打破这一循环的关键手段[1]。氨被视为最重要的可持续无碳燃料之一[2,3]。由可再生能源生产的绿色氨具有显著优势：(1) 高能量密度，使其成为高效的氢能源载体[5,6]；(2) 液化难度低，便于储存和运输[7,8]；(3) 完全燃烧时零碳排放[2]；(4) 燃烧极限窄，爆炸危险性低[9]。氨可用于内燃机、燃气轮机甚至燃料电池[10,11]，从而促进交通领域的能源转型。然而，目前关于氨膨胀火焰的研究主要集中在层流火焰[12,13]以及与氢气、甲烷[14,15]或其他可燃添加剂的预混燃烧[3]上，而纯氨的湍流膨胀火焰研究相对较少[16]。为了推动氨作为燃料在内燃机和燃气轮机中的应用，全面了解氨-空气湍流火焰动力学至关重要。

层流燃烧速度是燃烧科学中最基本的参数之一[17]。Hayakawa等人[12]通过实验表明，增加初始压力会降低氨-空气混合物的层流燃烧速度并增加Markstein长度，这一趋势与碳氢化合物火焰观察到的趋势相似。Li等人[18]进一步研究了初始压力对氨-空气火焰形态的影响。结果表明，随着初始压力的增加，流体动力不稳定性加剧，导致火焰表面形成蜂窝状结构。Alvarez等人[19]发现，在高初始压力（P_initial=10 atm）下，瑞利数（Ra）与佩克莱特数（Pe）的比值增加，使得浮力对火焰的影响更加显著。Kanoshima等人[13]通过实验发现，初始温度的升高会提高氨-空气混合物的层流燃烧速度，相应的温度指数大于甲烷-空气混合物。Liu等人[20]发现，氨-氧气混合物的层流火焰速度在化学计量比时达到峰值，而火焰厚度在同一条件下达到最小值。

在实际工程应用中，如内燃机和燃气轮机，燃烧环境通常具有复杂的湍流特性。因此，基于氨的燃料的湍流燃烧速度也值得重视。最早的相关工作是由Ichimura等人（2019年）[21]进行的，他们研究了湍流场中氨-空气火焰的熄灭极限特性。结果表明，在热扩散不稳定性影响下，Lewis数小于1的氨-空气火焰的局部燃烧速度增加，使火焰更难熄灭。随后，在2021年，Lhuillier等人[22]在火花点火发动机条件下对基于氨的混合物进行了燃烧实验，获得了部分氨-空气火焰的瞬时图像和一些湍流与层流燃烧速度的实验数据。2023年，Zitouni等人[16]使用MIE散射断层扫描技术测量了473 K下不同湍流强度下氨-空气、氨-甲烷-空气和氨-氢-空气混合物的湍流燃烧速度。研究发现，纯氨和基于氨的混合物的火焰曲率特性相似，遵循经典的湍流火焰演化趋势。此外，Zitouni等人[23]进一步研究了部分裂解的氨-空气混合物的湍流燃烧特性，发现湍流条件下燃料贫侧的火焰传播显著增强，而燃料富侧的火焰传播几乎没有增强，这与层流火焰传播的趋势相反。Klawitter等人[24]使用光学发动机测试平台对不同氨裂解比的氨-空气和氨-氢-氮-空气混合物进行了实验。结果表明，在典型的发动机相关湍流条件下，氨-空气混合物的火焰传播速度显著增强，部分氨裂解进一步改善了湍流燃烧行为。S. Shy等人[25]研究了不同点火能量和湍流强度下氨-空气火焰的全局熄灭行为，发现与中心点燃的火焰相比，向下传播的火焰对全局熄灭的抵抗力更强。Fan等人[26]利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术研究了高Karlovitz数（Ka）下氨-空气预混湍流射流火焰的结构。结果表明，随着湍流强度的增加，湍流燃烧速度与层流燃烧速度的比值增加，而薄的NH层厚度保持不变。此外，氧气含量对氨-空气湍流火焰的影响也受到了关注。Xia等人[27]研究了富氧条件下氨-氧气-氮混合物的湍流燃烧速度，发现由于热扩散不稳定性，燃料贫条件下的湍流与层流燃烧速度的比值大于燃料富条件下的比值。此外，Xia等人[28]研究了煤粉添加对氨-氧气-氮混合物燃烧特性的影响，发现燃料贫条件下煤-氨混合物的火焰传播速度高于纯氨燃烧，而在燃料富条件下则低于纯氨燃烧。Wang等人[29]研究了高压条件下氧气含量对氨-氧气-氮湍流火焰的影响。结果表明，在不同的初始压力、氧气含量和湍流强度下，氨-氧气-氮火焰表现出自相似的传播特性，归一化的< />_T/S_L随湍流雷诺数遵循半幂律缩放。

爆炸超压和压力上升率是反映燃料爆炸强度和燃烧效率的关键指标。Liang等人[30]研究了初始温度和初始压力对氨-空气层流火焰爆炸超压的影响。结果表明，随着初始温度的升高，最大爆炸超压略有下降，而最大压力上升率增加。相比之下，初始压力的增加导致最大爆炸超压和最大压力上升率显著增加。Li等人[31]研究了氨-DME-空气混合物的燃烧和爆炸特性，发现随着DME含量的增加，最大压力上升率和爆燃指数线性增加，而最大爆炸压力的增长率下降。Chen等人[32]在20 L球形容器中测量了氨-空气和氨-氧气混合物的爆炸压力，发现峰值爆炸压力分别出现在当量比Ф=1.1和Ф=1.0时。Li等人[33]结合实验研究和模糊灰关联分析方法评估和排序了初始条件对氢-氨-空气混合物爆炸风险的影响，确定影响顺序为：初始压力 > 当量比 > 氨含量。同样，Deng等人[34]研究了氢-氨-空气混合物的爆炸特性，发现爆燃指数随初始压力、氢含量和当量比的增加而增加，其中初始压力对爆炸压力的影响最为显著。Li等人[35]在开放空间测量了氢-氨-空气混合物云的爆炸压力，发现随着氨含量的增加，最大爆炸超压降低，相应的当量比从Ф=1.4变为Ф=1.0。此外，在我们之前的研究[36,37]中，还研究了障碍物诱导湍流条件下氢-氨混合物中湍流传播火焰的爆炸超压。研究发现，障碍物的数量和位置的变化显著影响爆炸超压的上升趋势和波动幅度，而障碍物形状的影响相对较小。

作为内燃机和燃气轮机极具前景的替代燃料，氨需要对其在湍流条件下的燃烧和爆炸特性有深入的了解。然而，关于高压条件下纯氨湍流膨胀火焰的湍流燃烧速度的研究仍然较少，且在这种条件下的爆炸超压演变尚未得到充分研究。只有Zitouni等人[16,23]在大气压下获得了有限的湍流膨胀火焰数据，这些数据远不足以建立纯氨湍流膨胀火焰的完整数据库。因此，本研究进行了添加初始湍流后氨-空气湍流火焰的湍流加速和爆炸超压动力学的实验研究，探讨了初始压力、湍流强度和当量比的影响，并提出了一个关于高压初始条件下氨-空气湍流火焰湍流燃烧速度的相关性模型，建立了一种考虑湍流加速效应的爆炸超压预测方法。这项工作进一步研究了添加初始湍流后氨-空气湍流火焰加速的机制，并为氨作为燃料的应用提供了实验数据和理论支持。

实验装置

实验装置

图1展示了氨-空气湍流燃烧的实验平台，主要包括一个封闭燃烧室、风扇速度控制器、施利尔恩系统（schlieren system）、高速相机、数据采集系统和时间控制器。封闭燃烧室由主体结构、法兰和风扇组成。主体结构采用304不锈钢制成，呈圆柱形，直径为276毫米，内部包含一个内径为150毫米的球形腔室。

湍流火焰特性

图5(a)显示了当量比对湍流火焰特性的影响。每个施利尔恩图像的可见直径为63毫米，火焰的等效半径为20毫米。由于湍流状态位于薄反应区，该区域的火焰转变为增厚且皱褶的火焰，导致火焰表面出现不同程度的扭曲。在湍流强度为< />=0.17 m/s时，化学计量比和富燃料侧的火焰形态几乎

结论

本研究探讨了初始压力、湍流强度和当量比对氨-空气火焰湍流加速和压力动态的影响，提出了一个关于高压初始条件下氨-空气湍流火焰湍流燃烧速度的相关性模型，并建立了一种考虑湍流加速效应的爆炸超压预测方法。主要结论如下：

(1)

随着湍流强度的增加

CRediT作者贡献声明

梁波：撰写 – 原始草案、方法论、实验研究、数据分析。高宇克：方法论、实验研究。张凯：方法论、实验研究。高伟：方法论、实验研究。耿振芳：方法论、实验研究。张嘉兴：方法论、实验研究。卢汉：方法论、实验研究、数据分析。李彦超：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、实验研究、数据分析。