用户速递丨高压液氨喷雾燃烧的点火与火焰发展过程：基于同步高速OH和NH₂化学发光成像的研究

本文《Ignition and flame development of high-pressure liquid ammonia spray combustion with simultaneous high-speed OH* and NH2* chemiluminescence imaging》发表在《Combustion and Flame》IF是5.8

一、研究背景
 

氨作为一种零碳燃料，因其储运方便、含氢量高（质量分数17.7%），近年来在船舶发动机、燃气轮机、锅炉等燃烧装置中受到广泛关注。然而，液氨具有自燃温度高、汽化潜热大、可燃范围窄等特点，其喷雾燃烧的稳定点火与火焰发展面临巨大挑战。
 

上海交通大学吕兴才教授团队在光学可视化的定容燃烧弹中，利用三台高速相机同步记录了液氨高压喷雾燃烧过程中的OH*化学发光、NH₂*化学发光以及火焰自发光（FL） 信号，并结合化学动力学分析，首次系统地揭示了液氨喷雾燃烧的点火、火焰传播、完全燃烧及燃后残火四个阶段。
 

二、实验装置与光学诊断

光学诊断系统（三台高速相机）：
 

所有相机帧率均为10.8 kHz，同步触发，实现时间分辨的火焰成像。
 

（图1. 用于液氨喷雾燃烧的定容燃烧弹及光学布置示意图。）

三、结果与讨论
 

1. 液氨喷雾的汽-液发展
 

（图2. 点火前通过纹影法拍摄的气液两相发展过程）
 

在非反应条件下（N₂环境），利用纹影法拍摄喷雾发展过程（图2）。喷射开始后0.27 ms，喷雾前端出现致密区；随后液氨逐渐蒸发，液核长度趋于稳定，喷雾锥角约21°。在点火前，喷雾边缘由于热空气卷吸形成富燃料区，而稀燃区主要位于喷雾外围。
 

2. 点火与火焰发展四阶段
 

（图3. 点火过程中 OH⁺、NH₂⁺ 和火焰发光（FL）图像的时间演变。）

（图4. 当量比和初始温度对点火延迟的影响。）
 

根据同步OH、NH₂和FL图像（图3、6、7、8），液氨喷雾燃烧可划分为四个阶段：
 

• 阶段一：点火过程（~1.39 ms ASOI）
  OH信号首先在喷雾外围出现（A、B、C区域），此时NH₂和FL几乎无信号。1.48 ms后，OH强度增加并形成条带分布，NH₂信号开始出现在OH*区域C附近，且与FL自动点火核高度耦合，标志着点火开始。化学动力学分析（图5）表明，点火瞬间OH主要来自反应 O+H₂O=2OH、H+O₂=OH+O、H₂+O=H+OH，而NH₂主要来自 NH₃+OH=NH₂+H₂O。
   

（图5. 不同当量比和温度下，点火时刻 OH 和 NH₂ 的生成速率分析（ROP）结果。）


（图6. 火焰传播过程中 OH⁺、NH₂⁺ 和火焰发光（FL）图像的时间演变。）
 

• 阶段二：火焰传播过程（1.57~1.67 ms ASOI）
  OH、NH₂和FL信号强度及面积快速增大，逐渐覆盖喷雾头部大部分区域。OH轮廓始终宽于NH₂和FL，而FL与NH₂*轮廓几乎重合。

（图7. 充分发展燃烧过程中 OH⁺、NH₂⁺ 和火焰发光（FL）图像的时间演变。）
 

• 阶段三：完全燃烧过程（2.04~2.69 ms ASOI）
  三路信号完全覆盖整个喷雾核心区。OH信号在中心强、向边缘减弱；NH₂分布面积明显小于OH*，但在核心区和火焰前锋处出现较强信号（图7白色圆圈标记），表明该区域局部富燃料，有利于NH₂生成。

（图8. 燃尽后过程中 OH⁺、NH₂⁺ 和火焰发光（FL）图像的时间演变。）

• 阶段四：燃后过程（3.33 ms之后）
  FL信号显著下降，OH轮廓与火焰前锋紧贴，NH₂面积迅速减小，且比OH更早消失。燃烧持续时间约5.6 ms（基于OH信号计算）。值得注意的是，在燃后阶段（4.07 ms及以后），喷嘴附近出现局部多点小尺度自动点火火花（图8、13、14），这些火花移动速度极低（平均0.47 m/s），存在较长时间，表明喷嘴附近残留未燃氨气。
   

3. 定量参数分析

（图9. 径向积分的 OH⁺ 和 NH₂⁺ 强度随轴向距离和时间的分布。）

（图10. 基于不同信号获得的抬升高度和火焰贯穿距。）
 

• 点火延迟：基于FL*大强度曲线，点火延迟约1.43 ms（图11a）。
• 火焰抬升高度与贯穿距：OH*信号计算的抬升高度稳定在46 mm左右（图10），贯穿距随时间增加。
• 火焰面积与火焰速度：三路信号的发光面积大小顺序为 OH* > FL > NH₂*（图12a）；火焰速度在1.65 ms达到峰值约35 m/s，之后降至10 m/s以下（图12b），高于常规烃类燃料的火焰发展速度。
• 相关性分析：OH图像与FL图像的相关系数在整个燃烧过程中保持较高水平，说明OH化学发光能更好地反映火焰结构（图11b）。

（图11. (a) 化学发光和火焰发光图像的*大强度随时间的变化，(b) 化学发光和火焰发光图像的相关系数随时间的变化。）

（图12. (a) 发光面积，(b) 火焰速度。）

4. 燃后小尺度火花分析

（图13. 分析区域的定义及火花的轨迹。）

（图14. 选定区域内火花的火焰发光、NH₂⁺ 和 OH⁺ 信号的平均相对强度分布以及典型时刻的相应特征图像。）

（图15. 根据质心运动计算的火花移动速度。）
 

对燃后火花（图13a红框区域，46 mm×21 mm）进行追踪分析发现：
 

• 火花运动速度极低（平均0.47 m/s，图15），倾向于向喷雾轴线移动。
• 火花内部FL信号始终早于或等于NH₂信号出现，OH信号仅在较大尺寸火花中检测到（图14）。
• 这些火花经历缓慢、持久的氧化燃烧过程，可能是由喷嘴关闭后的燃料滴漏（fuel dribble）引起，揭示了液氨喷雾燃烧中未燃氨的残留问题。

四、结论
 

本研究首次通过同步高速OH、NH₂化学发光及火焰自发光成像，系统揭示了高压液氨喷雾燃烧的完整过程。主要结论如下：

Zolix IIM-C型高速增强模组凭借其高增益、低噪声、高紫外透过率以及纳秒级门控响应能力，在捕捉OH（310 nm）和NH₂（630 nm）的微弱化学发光信号方面发挥了不可替代的关键作用。正是依托该增强器对极弱光信号的精准放大与高时间分辨成像，研究团队得以在10.8 kHz的高速帧率下同步捕获点火初期OH先于NH₂出现的瞬态特征，以及燃后阶段喷嘴附近小尺度火花的缓慢氧化过程。该工作不仅首次构建了液氨喷雾燃烧的完整时空演化图谱，证实了OH*信号与火焰结构的高度相关性，更为液氨燃料在高压喷射条件下的燃烧模型开发与燃烧器优化设计提供了重要的实验依据。