采用氨（NH3）—烃类燃料混合物的双燃料燃烧策略已被证明能有效降低柴油机的排放。在这项工作中，研究人员通过在定容反应器中对正庚烷/NH3喷雾进行大涡模拟（LES），对压缩点火（CI）条件下的瞬态着火和火焰过程进行了详细研究。数值模型考虑了将正庚烷喷射到NH3、空气和燃烧产物的混合物中。研究人员使用经过验证的详细化学反应机理模拟了单燃料（SF）和双燃料（DF）喷雾。研究人员在物理空间和混合分数空间分析了从着火核形成、生长到湍流喷雾中火焰传播转变的瞬态过程。结果表明，这些过程受到NH3浓度和环境温度（Ta）的显著影响。SF喷雾中的着火涉及产生小的着火点，这些着火点生长并合并形成一个位于喷雾尖附近的、可识别的着火核。随后其生长涉及不断形成的着火点与它的合并。相比之下，DF喷雾中的着火涉及在远离喷雾中心处形成一个着火点，然后其生长缓慢，类似于正庚烷/NH3混合物中的传播火焰。随着Ta升高，SF喷雾中的着火点数量增加。因此，着火核体积和生长速率增加，从而缩短了着火延迟期（IDT）。相反，在DF喷雾中，随着Ta升高或NH3浓度降低，着火点的大小及其生长增加，IDT缩短。研究人员使用最敏感混合分数（Zmr）和标量耗散率（χ）进一步表征了柴油和柴油—NH3喷雾中着火核和火焰动力学在各种条件下的详细行为和潜在物理机制。分析表明，着火核位于Zmr附近且处于低χ区域。此外，研究人员通过分析Ta和NH3浓度对Zmr和χ的影响，研究了它们对着火核动力学的影响。研究发现，LES结果与近期实验和直接数值模拟研究中报告的结果一致。
论文解读：《压缩点火条件下氨/柴油双燃料喷雾着火及火焰动力学的数值研究》
一、 研究背景与意义
随着重型运输业对高效率和低排放需求的日益增长，替代燃料的应用成为内燃机领域的研究热点。氨（NH3）因其作为氢载体、可由生物质等多种途径制备且兼容现有基础设施等优势，被视为极具潜力的替代燃料。然而，NH3本身存在反应活性低、层流火焰速度慢、可燃极限窄等问题。为克服这些缺陷，将NH3与高活性燃料（如柴油）结合的双燃料（DF）策略，特别是应用于压缩点火（CI）发动机中的低温燃烧（LTC）模式，成为了一种可行的解决方案。这种策略不仅能利用NH3降低温室气体和颗粒物排放，还能通过柴油辅助解决NH3难以压燃的问题。尽管已有实验显示NH3比例增加会导致混合气活性下降、燃烧质量恶化及氨逃逸等问题，但关于双燃料喷雾在瞬态条件下的着火核形成、生长及其向火焰传播的详细物理机制仍不明确。因此，研究人员通过开展本项研究，旨在深入探究NH3浓度和环境温度对n-庚烷/NH3双燃料喷雾着火及火焰动力学的影响规律，为优化发动机控制策略提供理论支撑。
二、 关键技术方法
为实现上述研究目标，研究人员采用了基于计算流体力学（CFD）软件CONVERGE的大涡模拟（LES）技术。研究构建了对应Sandia定容反应器的三维计算域，模拟了直喷n-庚烷在由NH3、空气和燃烧产物组成的氧化环境中的湍流喷雾燃烧过程。模拟涵盖了单燃料（SF，即纯n-庚烷喷雾）和不同NH3浓度的双燃料（DF）工况，并考察了不同环境温度（Ta）的影响。研究采用了欧拉-拉格朗日方法描述气液两相流，并结合了详细的化学反应动力学机理来描述燃烧化学过程。为了深入揭示着火与火焰演化的内在机制，研究人员不仅在物理空间进行了分析，还引入了混合分数（Z）空间的概念，重点分析了最敏感混合分数（Zmr）和标量耗散率（χ）对着火核动态特性的影响。所有模拟结果均通过与现有实验数据进行对比验证了模型的准确性。
三、 研究结果
3.1 着火核在物理空间的动力学特征
研究首先对比了SF和DF喷雾的着火模式差异。在SF喷雾中，着火表现为多个微小着火点的随机生成，这些着火点逐渐生长并相互合并，最终在喷雾尖端附近形成一个主要的着火核。随后，该着火核通过持续吸收周围新生成的微小着火点而不断壮大。而在DF喷雾中，由于NH3的存在，着火模式发生了改变：通常仅形成一个孤立的着火点，且该着火点往往偏离喷雾中心线。此着火点的生长过程较为缓慢，其行为更接近于在n-庚烷/NH3预混气体中的火焰传播。
3.2 环境温度与NH3浓度对着火延迟期（IDT）的影响
环境温度的升高对两种燃料喷雾的着火均有促进作用，但机制不同。对于SF喷雾，升温导致着火点数量显著增加，进而增大了着火核的体积和生长速率，最终缩短了IDT。对于DF喷雾，升温或降低NH3浓度均能加速着火过程。具体而言，提高温度或降低NH3比例会增加初始着火点的大小并促进其生长，从而有效减少IDT。这表明NH3作为一种高辛烷值燃料，对混合气的活性具有明显的抑制作用。
3.3 混合分数空间中的物理机制解析
为了从更本质的层面理解着火现象，研究人员将分析拓展至混合分数空间。结果显示，无论是SF还是DF喷雾，着火核均倾向于在最敏感混合分数（Zmr）附近形成，并且这些区域通常具有较低的标量耗散率（χ）。这意味着局部混合物的化学时间与流动时间尺度之比对着火的发生至关重要。NH3的加入改变了混合物的Zmr值，并通过影响局部χ分布来抑制化学反应速率，从而解释了为何DF喷雾的着火更为困难且火焰发展更为迟缓。
四、 结论与讨论
本研究通过高精度的大涡模拟，成功复现并揭示了压缩点火条件下n-庚烷/NH3双燃料喷雾复杂的瞬态着火与火焰演化过程。研究明确了NH3浓度和环境温度是调控双燃料燃烧过程的两个核心参数。主要结论如下：第一，SF与DF喷雾的着火模式存在本质区别，前者为多点点火合并模式，后者为单点缓慢传播模式。第二，环境温度升高能显著促进两者的着火进程，但在DF体系中，降低NH3浓度是改善着火性能的另一有效途径。第三，着火核始终位于最敏感混合分数附近且标量耗散率较低的区域，这为预测和控制双燃料发动机的着火时刻提供了重要的理论依据。该研究成果不仅增进了学术界对低碳燃料燃烧物理的理解，也为未来设计高效、清洁的氨/柴油双燃料发动机提供了关键的数值参考和基础数据支持。
