NH3/H2預(yù)混合氣激光點(diǎn)火特性實驗

張俊杰，江 鑫，劉昀洋，胡二江，黃佐華

NH3/H2預(yù)混合氣激光點(diǎn)火特性實驗

張俊杰，江 鑫，劉昀洋，胡二江，黃佐華

(西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實驗室，西安 710049)

基于定容燃燒彈，在不同初始壓力、當(dāng)量比和摻氫比條件下，對NH3/H2預(yù)混合氣進(jìn)行了激光點(diǎn)火實驗研究，分析了不同條件下的火焰發(fā)展形態(tài)及最小點(diǎn)火能量MI．研究發(fā)現(xiàn)，隨摻氫比的增加，火焰受浮力的影響減弱，火焰邊界逐漸清晰；升高壓力能降低混合氣的MI，但不同當(dāng)量比混合氣的MI受壓力改變的影響程度不同；純氨氣的火焰發(fā)展極不穩(wěn)定且MI極高，摻混H2后能極大降低MI，可以有效拓寬氨氣的可燃使用范圍，其中摻氫比為10%時，MI降低效果最明顯．

激光點(diǎn)火；氨氣；最小點(diǎn)火能量；點(diǎn)火成功率；定容燃燒彈

為了應(yīng)對碳排放帶來的全球氣候影響以及體現(xiàn)大國在環(huán)境保護(hù)問題上的責(zé)任，2020年中國提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，“雙碳”目標(biāo)的提出無疑對當(dāng)前已有的降低碳排放的方法與技術(shù)提出了新的考驗，如何更高效更經(jīng)濟(jì)地減少碳排放已經(jīng)成為了當(dāng)前眾多研究者關(guān)注的目標(biāo)，其中減少含碳燃料的使用是一條重要的途徑．

近年來各類低碳和無碳燃料已經(jīng)越來越受到研究者的關(guān)注，氨氣作為一種“無碳高氫”的燃料，在燃燒后可以實現(xiàn)零碳排放，且氨氣的運(yùn)輸成本較低，能量密度較高，在鍋爐和燃機(jī)中可直接用于燃燒，是一種優(yōu)秀的發(fā)動機(jī)燃料[1-3]．此外氨氣還可以廣泛應(yīng)用于電子、化工、食品、炸藥等行業(yè)，合成氨技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)讓氨氣成為了一種價格低廉、產(chǎn)量巨大的化工品，因此氨氣作為燃料具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]．

在實際應(yīng)用中氨氣作為燃料燃燒還存在一些問題，如氨氣的可燃性較低、可燃范圍窄，此外氨氣的燃燒速度較低，這會使得在某些極端的工況下，氨氣燃燒的火焰穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)抖動或熄滅等問題，而且氨氣在燃燒時可能會伴有較高的NO排放，這些問題都使氨氣在作為燃料的應(yīng)用上受到限制．目前比較有效可行的應(yīng)用途徑是在氨氣中摻混如氫氣、甲烷等燃燒性能更佳的燃料輔助燃燒，這可以有效地提高其可燃性以及火焰穩(wěn)定性，而氫氣作為另一種無碳燃料則是理想的選擇．

由于氨氣的低可燃性，這使得傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火方式在氨氣燃料的點(diǎn)火問題上顯得乏力，除了摻混可燃性較高的燃料外，使用其他的高能點(diǎn)火方式也有助于混合氣的成功點(diǎn)火及燃燒．為了實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠點(diǎn)火，可以使用一種新型的點(diǎn)火方式：激光點(diǎn)火.根據(jù)激光點(diǎn)火的原理不同，主要可分為以下3種：激光熱點(diǎn)火、激光誘導(dǎo)光化學(xué)點(diǎn)火、激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火(laser induced plasma ignition，LIPI)．LIPI通過誘導(dǎo)擊穿產(chǎn)生大量高溫等離子體完成點(diǎn)火過程，不存在與目標(biāo)分子吸收波長匹配等問題[6-7]，同時LIPI發(fā)射的電磁波可以忽略不計，最大限度地降低了電磁干擾的風(fēng)險[8]，LIPI還可以更好地控制點(diǎn)火時間和位置，有利于多點(diǎn)點(diǎn)火的應(yīng)用[9-10]．此外，氨氣在稀薄條件下會更難以點(diǎn)火成功，所以LIPI比電火花點(diǎn)火更適應(yīng)于氨氣這類低可燃性燃料的點(diǎn)火使用．

目前已有許多研究學(xué)者對氨氣和氨/氫的混合氣燃燒特性進(jìn)行了廣泛的研究，其中多數(shù)是火焰發(fā)展期間的燃燒特性．Mei等[11]研究了NH3/H2/N2/空氣的混合氣在1MPa范圍內(nèi)的層流火焰?zhèn)鞑ミ^程及動力學(xué)模型，以此來研究燃料部分裂解技術(shù)對氨氣燃燒的增強(qiáng)作用，結(jié)果表明使用的模型能較好地預(yù)測部分裂解氨氣混合氣的層流燃燒速度，熱效應(yīng)對NH3層流火焰?zhèn)鞑サ脑鰪?qiáng)作用較小，而化學(xué)效應(yīng)對層流火焰?zhèn)鞑サ脑鰪?qiáng)作用較大．Li等[12]研究了在0.05～0.2MPa下NH3/H2/空氣混合氣的層流燃燒速度，馬克斯坦長度和火焰?zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)壓力對層流燃燒速度的影響取決于氫濃度，馬克斯坦長度隨當(dāng)量比單調(diào)增加，在稀薄條件下，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)，而不同的反應(yīng)機(jī)理和實驗結(jié)果之間存在較大差異．Osipova 等[13]研究了常壓下預(yù)混氨/氫火焰的化學(xué)結(jié)構(gòu)與層流燃燒速度，使用不同模型預(yù)測了火焰結(jié)構(gòu)，并得到了較好的效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比稍濃的混合氣NO排放量更低．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果表明，壓力升高可以減少NO的生成，但對于純氨氣燃燒需要尋找其他更有效的降低NO排放的方法．Wang等[14]使用激光點(diǎn)火來研究氨氣/氫氣混合氣的層流燃燒特征，其中當(dāng)量比從0.7～1.4變化，壓力變化為0.1～0.5MPa，摻氫比為0～20%，并利用動力學(xué)模型計算了層流燃燒速度，發(fā)現(xiàn)混合氣層流燃燒速度隨當(dāng)量比增大先增大，并在1.1附近達(dá)到峰值，然后逐漸減?。跏辑h(huán)境壓力的增加會降低層流燃燒速度，在摻氫比為20%時，所用的模型的層流燃燒速度預(yù)估值都偏大．

由此可見，目前對于氨氣/氫氣混合氣燃燒的研究主要集中在層流燃燒速度和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上，且研究內(nèi)容較為單一，主要關(guān)注在點(diǎn)火成功后的混合氣燃燒及火焰發(fā)展階段，而對于氨氣/氫氣混合氣點(diǎn)火階段的點(diǎn)火特性研究還有所欠缺．本實驗使用氨氣/氫氣/空氣預(yù)混合氣，在定容燃燒彈中，使用激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火，對混合氣在不同條件下的火核發(fā)展及最小點(diǎn)火能量進(jìn)行了研究，并解釋了不同工況下上述結(jié)果的變化原因，為氨氣燃料的實際應(yīng)用提供了參考．

1 實驗裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

激光點(diǎn)火實驗平臺如圖1所示，主要包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等．本實驗所使用的定容燃燒彈的腔體軸向和徑向兩端面各有兩個石英玻璃視窗，此外，定容燃燒彈還裝有壓力變送器(羅斯蒙特3051TA)，用于測量進(jìn)氣時的靜壓力，壓電式壓力傳感器(Kistler 7001)用于測量燃燒過程中的壓力．

圖1 激光點(diǎn)火實驗系統(tǒng)示意

激光點(diǎn)火系統(tǒng)采用Nd：YAG燈泵浦納秒調(diào)Q激光器(Grace NASOR800)，有355nm/532nm/1064nm共3個波長可供選用，本文使用的是532nm．激光脈沖能量是通過外部光路上的能量衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)，激光脈沖能量的測量主要通過分光鏡和兩個能量計(Coherent)來實現(xiàn)．光路系統(tǒng)包括光源、凸透鏡和高速攝相機(jī)(Phantom V2012)，高速攝像機(jī)幀速為10000 幀/s．實驗中使用各氣體純度均為99.999%．

1.2 實驗工況

實驗所用空氣為N2與O2的混合氣(體積比為3.762∶1)，燃燒室內(nèi)的初始溫度約為298K，靜態(tài)壓力保持在約0.1MPa(室內(nèi)環(huán)境條件)，在進(jìn)行點(diǎn)火實驗時，每組工況均進(jìn)行20次以上點(diǎn)火以保證準(zhǔn)確性，具體實驗工況見表1．

表1 實驗工況

Tab.1 Experimentalconditions

1.3 數(shù)據(jù)處理

本實驗中，將最小點(diǎn)火能量定義為點(diǎn)火成功率為50%時，對應(yīng)的激光入射能量，記為MI(minimum ignition energy)，為了獲得點(diǎn)火成功率與點(diǎn)火能量之間的關(guān)系，本文使用邏輯回歸方法對點(diǎn)火結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計[15]，在改變激光入射能量時參考前一次點(diǎn)火結(jié)果，如果上一次點(diǎn)火成功，則下一次將降低入射能量；否則將提高入射能量直至點(diǎn)火成功．由于混合氣會因為多次擊穿而改變初始條件，所以在同一次實驗中，最多嘗試5次點(diǎn)火，若全部失敗，則需更換容彈內(nèi)的混合氣進(jìn)行下一次實驗，并繼續(xù)提高點(diǎn)火能量，重復(fù)以上過程．

在記錄和處理數(shù)據(jù)時，對于某一點(diǎn)火能量，將點(diǎn)火結(jié)果為成功的結(jié)果記為1，未成功的結(jié)果記為0，建立一個二值化結(jié)果模型，其中為點(diǎn)火成功的閾值，具體函數(shù)關(guān)系式如式(1)：

定義在點(diǎn)火能量下的點(diǎn)火結(jié)果累計概率分布函數(shù)()：

對于次實驗的結(jié)果，其點(diǎn)火能量和點(diǎn)火結(jié)果可以用似然函數(shù)來表示：

其中()可以用帶參數(shù)的邏輯分布函數(shù)來表示，0和1為似然函數(shù)的估計參數(shù)：

最后，95%置信區(qū)間的上置信限(UCL)和下置信限(LCL)可以使用雙邊區(qū)間的大樣本方法計算，所有程序處理過程均在Matlab軟件中進(jìn)行，圖2是初始壓力為0.1MPa、當(dāng)量比為1.0、摻氫比為20%時的點(diǎn)火成功率曲線，實驗的原始數(shù)據(jù)在圖中以藍(lán)色菱形表示，在后續(xù)的作圖中由于數(shù)據(jù)量較大，故僅保留概率分布曲線和置信區(qū)間．

圖2 點(diǎn)火成功率處理結(jié)果示意

2 混合氣激光點(diǎn)火的火焰發(fā)展

激光點(diǎn)火的火焰不同于常規(guī)電火花點(diǎn)火的球型火焰，而是呈現(xiàn)三瓣型，原因是激光入射后，沿光路方向的混合氣對光的能量吸收不同，所以產(chǎn)生的溫度場和壓力場關(guān)于垂直光路的方向不對稱，而且由于溫度場和壓力場的梯度不重合，會導(dǎo)致斜壓轉(zhuǎn)矩的出 現(xiàn)[16]，在發(fā)展過程中，火核在激光入射一側(cè)和出射一側(cè)會形成強(qiáng)度不同的兩對旋渦，隨著火核發(fā)展，旋渦帶動混合氣流動最終形成三瓣型火焰．

由于混合氣的火焰發(fā)展較弱，第三瓣火焰會由于流動在早期很快消散，所以本文所示的火焰發(fā)展后期圖片均為上下對稱的兩瓣火焰．圖3為初始壓力＝0.1MPa、摻氫比為20%、發(fā)展時刻為3ms時，不同當(dāng)量比的火焰發(fā)展圖片．可以看出當(dāng)量比為1.0時火焰發(fā)展速度最快，當(dāng)量比為0.8時，由于混合氣濃度過低，所以不如當(dāng)量比較高的工況火焰發(fā)展邊界清晰．由于氨氣燃燒速度較慢，所以火焰在發(fā)展過程中會出現(xiàn)上浮的現(xiàn)象，激光點(diǎn)火會形成上下兩瓣火焰，所以在浮力作用下上半部分火焰會發(fā)展更快．因為當(dāng)量比為1.0時的火焰發(fā)展最快，所以受浮力的影響最小，上下兩瓣火焰的大小差異也最小．

圖3 不同當(dāng)量比下的火焰發(fā)展圖片

圖4為初始壓力＝0.1MPa、當(dāng)量比為1.0、發(fā)展時刻為3ms時，不同摻氫比的火焰發(fā)展圖片．可以看到純氨氣的火焰發(fā)展極不穩(wěn)定，上下兩瓣火焰已不能維持其原有的形態(tài)，而且火焰邊界非常不清晰.純氨氣由于火焰發(fā)展速度慢，火焰受浮力的影響最大，隨著摻氫比的提高，火焰越發(fā)穩(wěn)定，發(fā)展速度也越快，邊界越清晰，且上下兩部分火焰之間的差異也越小，所以氫氣的摻混能極大改善氨氣火焰的穩(wěn)定性.

圖4 不同摻氫比下的火焰發(fā)展圖片

圖5是當(dāng)量比為1.0、摻氫比為20%、發(fā)展時刻為3ms時，不同初始壓力的火焰發(fā)展圖片．從圖中可以看出，初始壓力的提高會減小火焰發(fā)展速度(但也能降低MI，后文詳述)，并且因為混合氣初始的量增加，火焰邊界的亮度會有所加強(qiáng)．由于壓力增加會導(dǎo)致氫氣和氨氣的量同時增加，但氨氣在混合氣中的占比更大，所以受浮力的影響也會加大，而且火焰發(fā)展到后期會出現(xiàn)多瓣火焰層疊的趨勢，推測是由于壓力提高導(dǎo)致初始火核出現(xiàn)了多瓣火焰．

從火焰發(fā)展圖片可以看出，氫氣的摻混能有效地加強(qiáng)氨氣火焰的穩(wěn)定性，火焰邊界能一直穩(wěn)定到發(fā)展后期．火焰的發(fā)展速度越快，則火焰受浮力的影響也越小，所以對于摻氫比更高、初始壓力更低的混合氣和當(dāng)量比為1.0的混合氣，其上下兩部分火焰的形態(tài)相差也越小．

（a）＝0.1MPa （b）＝0.2MPa

圖5 不同壓力下的火焰發(fā)展圖片

Fig.5 Flame development under different initial pressures

3 點(diǎn)火成功率和最小點(diǎn)火能量

混合氣均在常溫下(298K)進(jìn)行點(diǎn)火，多次重復(fù)實驗保證其準(zhǔn)確性，為了表現(xiàn)不同條件下的點(diǎn)火成功率及最小點(diǎn)火能量的對比，以及保證結(jié)果圖的簡潔，故后續(xù)圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)并未列出，具體數(shù)據(jù)處理過程及帶有實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果請參考1.3節(jié)及圖2．

3.1 摻氫比和初始壓力的影響

圖6和圖7分別是在初始壓力為0.1MPa和0.2MPa時，當(dāng)量比＝0.6，不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率與點(diǎn)火能量的變化關(guān)系，圖中實線表示分布函數(shù)擬合曲線，兩側(cè)紅色虛線為該工況下的擬合曲線的置信區(qū)間，后續(xù)圖同理，表2和表3分別為圖6和圖7中的數(shù)據(jù)擬合后的參數(shù)及MI結(jié)果．由于0.6已經(jīng)是純氨氣的稀燃極限，其MI已超出實驗所用波長(532nm)激光的能量范圍，在兩種初始壓力下多次實驗，均未能成功點(diǎn)火，故未給出擬合曲線，但從采集到的激光能量可知，其MI應(yīng)大于250mJ．從表中可以看出摻混氫氣后能極大降低混合氣的MI，甚至能將當(dāng)量比處于稀燃極限的混合氣點(diǎn)燃，說明氫氣的摻混能有效拓寬氨氣的使用工況范圍，但相較于從純氨氣到摻氫10%的工況，摻氫比從10%增加到20%時，MI的降低幅度有所降低．從圖中可以看到，摻混比為10%的工況置信區(qū)間要比20%的工況更寬，這是因為在相同當(dāng)量比的混合氣中，氫氣占比越低則配氣誤差越大，但這并不影響不同摻氫比混合氣之間的MI相對大小，后續(xù)圖同理．

圖6 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.1MPa，f＝0.6)

圖7 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.2MPa，f＝0.6)

表2 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.1MPa，＝0.6)

Tab.2 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.1MPa，f＝0.6)

表3 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.2MPa，＝0.6)

Tab.3 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.2MPa，f＝0.6)

從表2和表3可以看出，增加初始壓力會降低點(diǎn)火所需的能量，這是因為在點(diǎn)火階段，燃料的消耗速率正比于初始壓力，當(dāng)壓力升高時，燃料消耗加快，此時火核內(nèi)的預(yù)混合氣的溫度升高速率也會增大，所以在更高的初始壓力下，火核能更快達(dá)到由高溫?zé)岷讼蜃跃S持火焰轉(zhuǎn)變的溫度，繼而引發(fā)火核周圍的混合氣，形成穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ミ^程，這也是點(diǎn)火成功的 表現(xiàn).

對于混合氣的點(diǎn)火過程能否成功，其主要因素有兩個[17]：一是混合氣被擊穿時，能否快速啟動化學(xué)反應(yīng)形成高溫的熱火核；二是火核在向自維持火焰轉(zhuǎn)變的過程中，釋放的熱量是否會被周圍較冷的混合氣散失．因此點(diǎn)火能量和火核階段的化學(xué)反應(yīng)溫升速率都是影響點(diǎn)火成功率的關(guān)鍵，所以提高初始壓力可以降低最小點(diǎn)火能量，但這種變化對不同工況的混合氣影響程度不同．

圖8和圖9分別是在初始壓力為0.1MPa和0.2MPa時，當(dāng)量比＝0.8，不同摻氫比的混合氣的點(diǎn)火成功率與點(diǎn)火能量的變化關(guān)系，表4和表5分別為圖8和圖9中的數(shù)據(jù)擬合后的參數(shù)及MI結(jié)果．從表中可以看出，雖然當(dāng)量比為0.8的純氨氣能點(diǎn)火成功，但其MI依然非常高，不同初始壓力的工況均在100mJ以上，而摻混氫氣后與當(dāng)量比為0.6的工況類似，能極大降低MI，摻混比為10%時，在兩種初始壓力下，MI均在20mJ左右，降低幅度超過80%，但繼續(xù)增大摻氫比至20%，雖然MI能繼續(xù)下降至15mJ以下，但降低幅度已減小到了40%以下．同時可以看出，增加初始壓力對于當(dāng)量比為0.8的混合氣的MI降低效果并不明顯．

圖8 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.1MPa，f＝0.8)

圖9 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.2MPa，f＝0.8)

表4 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.1MPa，＝0.8)

Tab.4 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.1MPa，f＝0.8)

表5 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.2MPa，＝0.8)

Tab.5 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.2MPa，f＝0.8)

圖10和圖11分別是在初始壓力為0.1MPa和0.2MPa時，當(dāng)量比＝1.0，不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率與點(diǎn)火能量的關(guān)系，表6和表7分別為數(shù)據(jù)擬合后的參數(shù)及MI結(jié)果．初始壓力為0.1MPa，當(dāng)量比為1.0時，純氨氣MI與當(dāng)量比為0.8時類似，都在100mJ以上，而摻混比為10%時，MI能降低75%，繼續(xù)增大摻氫比至20%，MI的降低幅度已減小到了37%，這與兩種初始壓力下的、當(dāng)量比為0.8的混合氣變化規(guī)律相似．

但當(dāng)壓力增大為0.2MPa時，純氨氣的MI降低為70.54mJ，摻混比為10%和20%時，甚至降低至15.82mJ和10.06mJ，雖然隨著摻氫比增加，MI降低的幅度與0.1MPa相似，但若從數(shù)值上看，增大混合氣初始壓力后，同一摻氫比的混合氣MI能降低40%左右(例如純氨氣MI從116.01mJ降低至70.54mJ)，升高壓力對MI的降低效果非常顯著．如前所述，升高壓力降低MI的原理在于增加了燃料消耗速率，進(jìn)而增大了火核內(nèi)部的溫升速率，這種影響效果在當(dāng)量比為0.8時表現(xiàn)得并不突出，但對于當(dāng)量比為0.6和1.0的混合氣卻表現(xiàn)明顯，所以雖然增加初始壓力對于降低MI有影響，但不同當(dāng)量比的混合氣對壓力變化的敏感程度并不相同，MI會受初始壓力和當(dāng)量比的共同影響，具體原因會在下一小節(jié)分析.

圖10 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.1MPa，f＝1.0)

表6 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.1MPa，＝1.0)

Tab.6 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.1MPa，f＝1.0)

表7 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.2MPa，＝1.0)

Tab.7 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.2MPa，f＝1.0)

圖12和圖13分別是在初始壓力為0.1MPa和0.2MPa時，當(dāng)量比＝1.2，不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率與點(diǎn)火能量的變化關(guān)系，表8和表9分別為圖12和圖13中的數(shù)據(jù)擬合后的參數(shù)及MI結(jié)果．可以看出，不同初始壓力下，各個摻氫比的混合氣MI都比當(dāng)量比為0.8和1.0的混合氣要更大，其中壓力為0.1MPa時，純氨氣的MI高達(dá)175.64mJ，摻混比為20%時MI也有25.44mJ，已經(jīng)高于相同壓力下當(dāng)量比為0.8、10%摻氫比的工況(22.40mJ)，而且摻氫比從0至10%，其MI降低幅度僅有70%，與當(dāng)量比為0.6的工況類似，均低于上述兩種當(dāng)量比工況．

圖12 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.1MPa，f＝1.2)

圖13 不同摻氫比混合氣的點(diǎn)火成功率(p＝0.2MPa，f＝1.2)

表8 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.1MPa，＝1.2)

Tab.8 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.1MPa，f＝1.2)

表9 不同摻氫比的MI及擬合參數(shù)(＝0.2MPa，＝1.2)

Tab.9 EMI and fitting parameters under different hydro-gen mixing ratios(p＝0.2MPa，f＝1.2)

由此可見，較濃的混合氣MI相對更高，且摻混氫氣后MI的降低效果也更弱；此外，升高初始壓力后，盡管純氨氣的MI從175.64mJ下降至146.62mJ，但由于其本身數(shù)值較大，降低后的值依然較高，降低幅度僅為16%，變化并不如上述當(dāng)量比1.0的混合氣明顯；摻混氫氣后的變化與當(dāng)量比為0.8的混合氣相似，所以與較稀的混合氣一樣，較濃混合氣的MI對壓力變化的敏感性也不高，但當(dāng)量比過低的混合氣(＝0.6)比較特殊，此時壓力的影響更多體現(xiàn)在氫氣部分．

3.2 當(dāng)量比的影響

將各個工況點(diǎn)的MI單獨(dú)提取出來，見圖14，分別是在初始壓力為0.1MPa和0.2MPa時，不同當(dāng)量比和不同摻氫比混合氣的MI變化情況．從圖14可以看出，在初始壓力為0.1MPa時，混合氣的MI隨當(dāng)量比增加先降低再升高，當(dāng)量比為0.8時，MI最小，這與之前的研究一致[18]；當(dāng)增大初始壓力至0.2MPa時，之前的分析和結(jié)果已經(jīng)表明，相同工況的MI會因燃料消耗速率加快而降低，但從圖14可以看出，此時各摻氫比混合氣的MI最小值出現(xiàn)在當(dāng)量比為1.0處，也即壓力增加時，不同當(dāng)量比混合氣的MI降低程度不同，但整體趨勢均為“U”型曲線．

當(dāng)量比對點(diǎn)火的影響主要體現(xiàn)在分子數(shù)密度上，激光點(diǎn)火的機(jī)制在于瞬間產(chǎn)生的高能量密度光斑使混合氣分子發(fā)生電子雪崩，形成大量等離子體，電子雪崩的產(chǎn)生是由于各粒子的不斷碰撞并交換能量.當(dāng)量比較低時，各粒子間碰撞的頻率減小，要形成電子雪崩則需要加大入射能量，為初始的帶電粒子提供更多的能量；而當(dāng)量比較高時，雖然粒子數(shù)密度增加，但由于混合氣加濃，為了維持火焰發(fā)展則需要更多的自由基，因此也需要提供更大的入射能量[19]，所以MI關(guān)于當(dāng)量比變化的曲線通常會呈“U”型[20-21]．

此外，當(dāng)量比為0.6的混合氣在改變初始壓力時，其MI降低非常明顯，這是因為其分子數(shù)密度過低，已經(jīng)處于氨氣的可燃極限，所以增大壓力更多地體現(xiàn)在對氫氣部分的影響上，因為對于純氨氣工況，即使增大壓力依然不能成功點(diǎn)火．盡管MI出現(xiàn)極大降低，但其結(jié)果依然高于當(dāng)量比為0.8的混合氣，這并不會改變MI隨當(dāng)量比變化的整體趨勢，但是提高摻氫比能減小兩者之間的差距．

由于當(dāng)量比對MI的影響是非線性的，增加初始壓力會導(dǎo)致MI降低，所以這兩種因素綜合起來對NH3/H2混合氣的影響結(jié)果就如圖14所示，在常壓下(0.1MPa)，“U”型曲線的最低點(diǎn)會出現(xiàn)在偏稀一側(cè)，而增加初始壓力會使最低點(diǎn)向較濃一側(cè)移動，更多改變壓力的情況還有待進(jìn)一步的研究．

（a）＝0.1MPa

（b）＝0.2MPa

圖14 不同當(dāng)量比和摻氫比混合氣的最小點(diǎn)火能量

Fig.14 Minimum ignition energy under different equiva-lence ratios and hydrogen mixing ratios

4 結(jié) 論

本文基于定容燃燒彈平臺，對不同工況下的NH3/H2預(yù)混合氣進(jìn)行了激光點(diǎn)火實驗，研究了火焰發(fā)展?fàn)顩r和最小點(diǎn)火能量隨不同工況的改變情況，其結(jié)果對于研究NH3/H2燃料在實際應(yīng)用中的點(diǎn)火及燃燒過程有一定的參考價值，主要結(jié)論如下：

(1)NH3/H2混合氣的激光點(diǎn)火火焰發(fā)展會受浮力影響，上半部分火焰相較于下半部分發(fā)展會更快，摻混H2能減小這種影響，混合氣的H2摻混比越高則受浮力的影響越?。?/p>

(2)混合氣的初始壓力升高會增大分子間碰撞的幾率，對等離子體的大量形成有促進(jìn)作用，而且會使燃料在火核階段的消耗速率加快，能降低MI；但改變壓力對不同當(dāng)量比混合氣的MI影響不同，其結(jié)果受初始壓力和當(dāng)量比的共同影響．

(3)純氨氣的MI非常高，摻混H2后能極大地減小MI并拓寬氨氣的可燃使用范圍；H2摻混比為10%時降低效果最明顯，繼續(xù)提高摻混比，MI的降低幅度逐漸減?。?/p>

(4)在不同初始壓力下，混合氣的MI隨當(dāng)量比的變化規(guī)律不同，會呈現(xiàn)出非單調(diào)的“U”型變化，MI最低點(diǎn)所對應(yīng)的當(dāng)量比會隨混合氣初始壓力的變化而改變，提高初始壓力，最低點(diǎn)會向較濃一側(cè)移動.

［1］ Chai Waisiong，Bao Yulei，Jin Pengfei，et al. A review on ammonia，ammonia-hydrogen and ammonia-methane fuels[J].，2021，147：111254.

［2］ Najlaa Ali Hussein，Agustin Valera-Medina，Ali Safa Alsaegh. Ammonia-hydrogen combustion in a swirl burner with reduction of NOemissions[J].，2019，158：2305-2310.

［3］ Gotama G J，Hayakawa A，Okafor E C，et al. Measurement of the laminar burning velocity and kinetics study of the importance of the hydrogen recovery mechanism of ammonia/hydrogen/air premixed flames[J].，2022，236：111753.

［4］ Wang Yang，Zhou Xiaohu，Liu Long. Study on the mechanism of the ignition process of ammonia/hydrogen mixture under high-pressure direct-injection engine conditions[J].，2021，46(78)：38871-38886.

［5］ Lhuillier C，Brequigny P，Contino F，et al. Experimental study on ammonia/hydrogen/air combustion in spark ignition engine conditions[J].，2020，269：117448.

［6］ Phuoc T X. Laser-induced spark ignition fundamental and applications[J].，2006，44(5)：351-397.

［7］ Liou L C，Culley D E. Laser Ignition Application in A Space Experiment[R]. Cleveland，Ohio：Lewis Research Center，1993.

［8］ Manfletti C. Laser ignition of an experimental cryogenic reaction and control thruster：Ignition energies [J].，2014，30(4)：952-961.

［9］ Nakaya S，Iseki S，Gu X，et al. Flame kernel formation behaviors in close dual-point laser breakdown spark ignition for lean methane/air mixtures [J].，2017，36(3)：3441-3449.

［10］ An Bin，Wang Zhenguo，Yang Leichao，et al. The ignition characteristics of the close dual-point laser ignition in a cavity based scramjet combustor [J].，2019，101：136-140.

［11］ Mei Bowen，Zhang Jianguo，Shi Xiaoxiang，et al. Enhancement of ammonia combustion with partial fuel cracking strategy：Laminar flame propagation and kinetic modeling investigation of NH3/H2/N2/air mixtures up To 10 atm[J].，2021，231：111472.

［12］ Li Huizhen，Xiao Huahua，Sun Jinhua. Laminar burning velocity，Markstein length，and cellular instability of spherically propagating NH3/H2/air premixed flames at moderate pressures[J].，2022，241：112079.

［13］ Osipova K N，Korobeinichev O P，Shmakov A G. Chemical structure and laminar burning velocity of atmospheric pressure premixed ammonia/hydrogen flames[J].，2021，46(80)：39942-39954.

［14］ Wang Ning，Huang Shuai，Zhang Zhifei，et al. Laminar burning characteristics of ammonia/hydrogen/air mixtures with laser ignition[J].，2021，46(62)：31879-31893.

［15］ Moffett S P，Bhanderi S G，Shepherd J E，et al. Investigation of statistical nature of spark ignition [C]// 2007. Livermore，California：Sandia National Laboratories，2007.

［16］ Dumitrache C，Yalin A P. Gas dynamics and vorticity generation in laser-induced breakdown of air[J].，2020，28(4)：5835-5850.

［17］ 張 馳，鐘北京，鄭 東. 正庚烷/空氣混合氣最小點(diǎn)火能量及其影響因素[J]. 航空動力學(xué)報，2018，33(2)：456-462.

Zhang Chi，Zhong Beijing，Zheng Dong. Minimum ignition energy of n-heptane/air mixtures and its affecting factors[J].，2018，33(2)：456-462(in Chinese).

［18］ Herry L，Zhu Mingming，Zhang Zhezi，et al. An experimental investigation into the effect of spark gap and duration on minimum ignition energy of partially dissociated NH3in air[J].，2022，241：112053.

［19］ Beduneau J L，Kim B，Zimme L，et al. Measurements of minimum ignition energy in premixed laminar methane/air flow by using laser induced spark[J].，2003，132(4)：653-665.

［20］ Lee T W，Jain V，Kozola S. Measurements of minimum ignition energy by using laser sparks for hydrocarbon fuels in air：Propane，dodecane，and Jet-A fuel[J].，2001，125(4)：1320-1328.

［21］ Ji Changwei，Wang Zhe，Wang Du，et al. Experimental and numerical study on premixed partially dissociated ammonia mixtures(Part I)：Laminar burning velocity of NH3/H2/N2/Air mixtures[J].，2022，47(6)：4171-4184.

Laser Ignition Characteristics of NH3/H2Premixture

Zhang Junjie，Jiang Xin，Liu Yunyang，Hu Erjiang，Huang Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Based on the constant volume combustion chamber，the laser ignition experiments on NH3/H2premixture were carried out under different initial pressure，equivalence ratios and hydrogen mixing ratios. The flame development and minimum ignition energyMIunder different conditions were analyzed. It is found that with the increase of hydrogen mixing ratio，the influence of buoyancy is weakened and the flame boundary becomes clearer. Increasing pressure can lower theMIof mixture，but theMIwith different equivalence ratio is affected by different pressure. The flame development of pure ammonia is extremely unstable and itsMIis very high. With the mixing of H2，theMIcan be greatly lowered，which can effectively broaden the combustible range of ammonia. When the mixing ratio is 10%，the effect of loweringMIis most obvious.

laser ignition；ammonia；minimum ignition energy；probability of ignition；constant volume combustion chamber

TK401

A

1006-8740(2024)01-0009-08

2023-02-28．

國家自然科學(xué)基金資助項目(52176131).

張俊杰(1998— )，男，博士研究生，zhangjunjie0421@stu.xjtu.edu.cn.

胡二江，男，博士，教授，hujiang@mail.xjtu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁 霞)