氨氣/氫氣/氮氣-空氣預(yù)混火焰中熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度表征與測量

摘要：針對氫氨火焰熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)的表征方法尚不清楚的問題，采用CHEMKIN軟件的一維傳播火焰模擬方法并結(jié)合NH與NH₃的激光誘導(dǎo)熒光診斷實驗測量結(jié)果，對氨氣/氫氣/氮氣-空氣預(yù)混火焰中火焰結(jié)構(gòu)的潛在標記物進行了探究。系統(tǒng)比較了不同氨氣裂解比、當(dāng)量比下多種標記物對熱釋放率空間分布、熱釋放區(qū)厚度和預(yù)熱區(qū)厚度的表征效果。結(jié)果表明：在貧燃條件下，NH的歸一化濃度與熱釋放率分布的空間相關(guān)性較好，NH₂、NO的歸一化濃度乘積在所有工況下均與熱釋放率輪廓保持良好的相關(guān)性；NH的歸一化濃度可靠表征了熱釋放率輪廓的峰值位置，NH₂、NO的歸一化濃度乘積能更好地表征熱釋放區(qū)厚度；使用歸一化濃度加和的局部極小值位置可標記預(yù)熱區(qū)前沿，NH₃、NH的歸一化濃度之和在各種工況下能表征約30%的預(yù)熱區(qū)厚度，而NH₃、NO的歸一化濃度之和能表征高達60%的預(yù)熱區(qū)厚度，NH和NH₃的激光誘導(dǎo)熒光診斷結(jié)果進一步驗證了這些標記物的實驗可行性。結(jié)合實驗結(jié)果與模擬修正結(jié)果，NH的歸一化濃度可用于計算熱釋放區(qū)，NH₃、NH的歸一化濃度之和能夠準確計算熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)的厚度。研究結(jié)果可為氫氨湍流火焰結(jié)構(gòu)表征提供參考。

關(guān)鍵詞：氨氣；預(yù)混火焰；熱釋放區(qū)；預(yù)熱區(qū)

中圖分類號：TK91 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505017 文章編號：0253-987X（2025）05-0178-11

Characterization and Measurement of Heat Release Zone and Preheat

Zone Thicknesses in Ammonia/Hydrogen/Nitrogen-Air Premixed Flames

DAI Hongchao^1，2， CAI Xiao¹， Thibault F. GUIBERTI²， WANG Jinhua¹， HUANG Zuohua¹

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

2. Clean Energy Research Platform， King Abdullah University of Science and Technology， Thuwal 23955， Saudi Arabia）

Abstract：Addressing the unclear characterization methods for the heat release zone and preheat zone of hydrogen-ammonia flames， a one-dimensional propagating flame simulation approach using CHEMKIN software is employed， in conjunction with experimental measurements from laser-induced fluorescence diagnostics of NH and NH₃， to investigate potential markers for flame structure in ammonia/hydrogen/nitrogen-air mixtures. A systematic comparison is conducted to evaluate the effectiveness of various markers in characterizing the spatial distribution of the heat release rate， the thickness of the heat release zone， and the thickness of the preheat zone under different ammonia cracking ratios and equivalence ratios. The results show that under lean combustion conditions， the normalized concentration of NH exhibits a good spatial correlation with the distribution of heat release rate， while the normalized concentration product of NH₂ and NO consistently correlated well with the heat release rate profile across all working conditions. The normalized concentration of NH accurately represented the location of the heat release rate peak， and the normalized concentration product of NH₂ and NO serves as a more effective indicator for the thickness of the heat release zone. The local minimum location of several normalized concentration sums was proposed as markers for the preheat zone leading edge. The normalized concentration sum of NH₃ and NH could represent approximately 30% of the preheat zone thickness， whereas the normalized concentration sum of NH₃ and NO could reach up to 60%. Laser induced fluorescence diagnostic results of NH and NH₃ further confirmed the experimental feasibility of these markers. Combining experimental results with simulation-revised outcomes， the normalized concentration of NH can be utilized for accurate calculation of the heat release zone， while the sum of the normalized concentrations of NH₃ and NH allows for precise determination of the thicknesses of both the heat release zone and the preheat zone. The findings provide useful guidance for flame structure identification in hydrogen-ammonia turbulent flames.

Keywords：ammonia; premixed flames; heat release zone; preheat zone

氨是一種無碳燃料，不僅能量密度高，而且生產(chǎn)運輸體系較為成熟，已展現(xiàn)出緩解全球變暖的潛力^［1］。相較于氫氣，氨在運輸與儲存上的經(jīng)濟性更為顯著。近年來，有學(xué)者針對氨燃燒在燃氣輪機、內(nèi)燃機等設(shè)備中進行了實驗性應(yīng)用探索^［1-2］。然而，氨作為燃料仍面臨點火難、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷案逳O_x排放等挑戰(zhàn)。研究指出，裂解氨氣或氨-氫-氮混合燃料，可以有效提升燃燒效率并優(yōu)化環(huán)境適應(yīng)性^［3-4］。

熱釋放率是燃燒過程的核心參數(shù)，對于精準定位火焰前沿及分析湍流燃燒相互作用、熱聲振蕩、燃燒噪聲等現(xiàn)象至關(guān)重要。然而，直接測量熱釋放率需要精確測量溫度及多種物種濃度，實驗難度較大。因此，開發(fā)能有效表征熱釋放率所在熱釋放區(qū)位置和厚度的代理標記物顯得尤為重要。激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)因能實現(xiàn)關(guān)鍵自由基的高時空分辨率在線成像，而廣泛應(yīng)用于燃燒研究中^［5］。在碳氫化合物火焰中，由于HCO和CH與熱釋放區(qū)具有顯著的時空相關(guān)性，因此其LIF信號常用作熱釋放區(qū)的標記物，但這兩個組分較難診斷^［6-7］。Paul等^［8］通過測量高信噪比的OH和CH₂O的LIF信號，利用其像素乘積X（OH）×X（CH₂O）（X（i）代表歸一化濃度，即某組分i的物質(zhì)的量濃度除以最大的物質(zhì)的量濃度），來評估熱釋放區(qū)的位置與厚度，這種方法因適用于瞬態(tài)圖像的信號測量得到廣泛應(yīng)用。然而，對于無碳的氫氨燃料，含碳組分標記物難以適用。在NH₃-空氣預(yù)混火焰中，Cheng等^［9-10］探討了熱釋放率與物種濃度的空間分布關(guān)系，提出將X（NH₃）×X（OH）、X（NH₂）×X（O）和X（NH₂）×X（H）作為熱釋放區(qū)標記物，并進一步提出X^0.86（NH₂）×X^0.97（NO） 和X^0.77（NH₂）×X^0.65（O）可作為更準確的標記物。在NH₃/CH₄-空氣火焰研究中，Zhu等^［11］推薦使用X（NH）和X（NH₂）×X（NO）作為熱釋放區(qū)標記物。針對NH₃/H₂-空氣預(yù)混火焰，Zhang等^［12］考慮了可實現(xiàn)高信噪比LIF成像的組分，推薦使用X（NH）、X（O）以及X（OH）的空間梯度值作為熱釋放區(qū)標記。Xing等^［13］在一維和二維/三維直接數(shù)值模擬（DNS）數(shù)據(jù)上測試了X^1.53（NH₂）×X^0.28（OH） 作為熱釋放區(qū)的標記物，并展示了其隨時間的穩(wěn)定性。此外，機器學(xué)習(xí)技術(shù)識別出X^0.952（NH）×X^0.062（OH）和X^1.039（NH₂）×X^0.641（OH）能夠作為有效的替代物^［14］。Hardaya等^［15］通過一維和二維模擬計算，研究了NH₃/H₂/N₂-空氣預(yù)混火焰中NH、NH₂、O和H的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在100～2 000 kPa及298～600 K的工況下沒有統(tǒng)一的理想標記物。然而，目前尚未有統(tǒng)一的標記物用于表征熱釋放區(qū)及其厚度。這一方面是由于大多數(shù)研究基于數(shù)值計算開展，其結(jié)果的可靠性取決于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型對火焰結(jié)構(gòu)表征的準確性；另一方面，一些標記物的提出是基于摩爾分數(shù)，而實際上激光誘導(dǎo)熒光信號與物種的數(shù)密度或濃度成正比，不能直接反映摩爾分數(shù)。

預(yù)熱區(qū)位于高放熱反應(yīng)前，通常是燃料預(yù)熱但尚未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，是火焰面的重要組成部分。在某些情況下，如十二烷-空氣火焰中，預(yù)熱區(qū)內(nèi)可能發(fā)生熱解等吸熱裂解反應(yīng)。因此，準確表征預(yù)熱區(qū)的厚度有助于深入理解湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用^［16］。在碳氫燃料的湍流火焰中，湍流渦將CH₂O等物質(zhì)從反應(yīng)區(qū)輸送至預(yù)熱區(qū)。由于預(yù)熱區(qū)缺乏H、O和OH等必要的反應(yīng)物，CH₂O在此區(qū)域并不參與反應(yīng)，因此CH₂O-LIF信號常用于表征含碳燃料的預(yù)熱區(qū)^［17］。然而，對于氫氨火焰，目前尚未有報道指出可用于表征預(yù)熱區(qū)厚度的標記物。僅在最近，F(xiàn)an等^［18］通過瑞利散射方法測量了NH₃-空氣預(yù)混火焰溫度場，設(shè)定預(yù)熱區(qū)對應(yīng)400～1 300 K的區(qū)域，研究了預(yù)熱區(qū)厚度的增厚特性。文獻［19-20］開發(fā)了采用單臺染料激光器同時識別反應(yīng)區(qū)的NH和未燃的NH₃的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)這兩種組分之間存在間隙，這一間隙可能反映了預(yù)熱區(qū)厚度特征。因此，基于具有成熟診斷技術(shù)的NH、NH₃或NO等組分來實現(xiàn)對預(yù)熱區(qū)的表征，能為有效識別預(yù)熱區(qū)提供有效的工具。

本文評估并選取了Okafor提出的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，通過模擬一維自由傳播火焰，研究了在不同裂解比和當(dāng)量比條件下，氨氣/氫氣/氮氣-空氣預(yù)混火焰面的結(jié)構(gòu)特征。基于這些模擬結(jié)果，提出了能夠表征熱釋放率和預(yù)熱區(qū)的標記物表征。隨后，全面評估了標記物在表征熱釋放率空間分布的相關(guān)性以及熱釋放率峰值位置和熱釋放區(qū)厚度方面的表征效果，也仔細評估了預(yù)熱區(qū)標記物在表征預(yù)熱區(qū)厚度上的準確性。最后，使用LIF數(shù)據(jù)驗證這些標記物的實驗可行性。

1 研究方案

1.1 模擬方法

采用CHEMKIN軟件^［21］中的一維自由傳播火焰反應(yīng)器模型進行數(shù)值模擬。該模型通常用于計算給定溫度和壓力條件下的層流火焰速度，但在本文中用于計算火焰面中的熱釋放率、物種摩爾分數(shù)和溫度的空間分布。在模擬過程中，忽略熱損失的影響，溫度直接從能量方程計算得出；為了確保模擬精度，采用多組分傳輸模型。反應(yīng)器的長度設(shè)置為10 cm，以提供足夠的空間模擬火焰的傳播過程。為了保證模擬的穩(wěn)定性和精度，將計算梯度和曲率參數(shù)設(shè)置為0.01。整個模擬過程由大約1 000個網(wǎng)格組成，以確保模擬結(jié)果實現(xiàn)網(wǎng)格獨立。模擬工況在101 kPa、300 K開展，包含氨氣裂解比為20%、40%和60%下，當(dāng)量比φ從0.6～1.5以0.1的間隔變化的條件。需要注意的是，模擬過程采用NH₃、H₂和N₂的混合燃料來代替部分裂解的氨燃料，其中H₂與N₂的摩爾比固定為3∶1。裂解比c為裂解的NH₃物質(zhì)的量占初始NH₃物質(zhì)的量的比，計算公式如下

c=n（NH₃）n′（NH₃）=2n（H₂）3n（NH₃）+2n（H₂） （1）

式中：n（NH₃）和n′（NH₃）分別為裂解的NH₃物質(zhì)的量和初始的NH₃物質(zhì)的量；n（H₂）為開始裂解的燃料混合物中H₂物質(zhì)的量。采用NH₃/H₂/N₂-空氣來等效替代部分裂解NH₃-空氣混合物是常用的研究方法。在給定的裂解比c下，原始NH₃中有一部分（比例為（1-c））保持不變，其余部分按照化學(xué)計量生成H₂和N₂；而當(dāng)量比則決定了空氣中O₂與NH₃（及其裂解產(chǎn)物）之間的比例，從而構(gòu)成了最終用于模擬部分裂解NH₃/空氣混合物的NH₃/H₂/N₂/空氣混合物。1.2 氨氣化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型驗證

選擇5種機理進行比較，分別是Okafor等^［22］機理、Han等^［23］機理、Zhang等^［24］機理、Stagni等^［25］機理以及Otomo等^［26］機理。這些機理廣泛應(yīng)用于氨氣燃燒模擬，并且它們在預(yù)測層流火焰速度方面的表現(xiàn)已經(jīng)得到了充分驗證，但對于物種輪廓的空間分布仍然沒有開展較好的研究。Brackmann等^［27］利用不銹鋼板作為滯止面穩(wěn)定了多孔塞燃燒器中的NH₃-空氣預(yù)混火焰，使用LIF和旋轉(zhuǎn)相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS）技術(shù)測量了OH、NO和NH的定量摩爾分數(shù)以及溫度場和相對氧氣濃度，并基于CHEMKIN軟件中預(yù)混燃燒器停滯火焰求解器來模擬帶有滯止面的多孔塞燃燒器火焰，評估氨燃燒反應(yīng)機理在預(yù)測物種分布的表現(xiàn)。本研究采用Brackmann等^［27］的實驗數(shù)據(jù)來驗證反應(yīng)機理：采用CHEMKIN軟件的預(yù)混燃燒器停滯火焰求解器對不同機理模擬結(jié)果進行驗證，所有的模擬設(shè)置都與Brackmann等^［27］的相同。

圖1為當(dāng)量比1.2情況下NH₃-空氣預(yù)混氣中，測量和模擬得到的溫度（T）、相對氧濃度（即氧氣在氧氣和氮氣混合氣中的摩爾分數(shù)占比）、OH、NO和NH摩爾分數(shù)分布之間的比較。實驗不確定性用誤差棒表示，這些誤差棒來自于Brackmann等^［27］的研究。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，5種機理都可以準確地捕捉溫度和相對氧濃度的變化趨勢，其中Okafor等^［22］和Zhang等^［24］在誤差范圍內(nèi)。在圖1（c）顯示的OH輪廓中，Otomo等^［26］預(yù)測的峰值摩爾分數(shù)處于實驗誤差范圍內(nèi)，其他4種機理存在不同程度的高估。OH峰值位置的預(yù)測與實驗測量結(jié)果不一致，其中Otomo等^［26］和Okafor等^［22］較為接近。在圖1（d）顯示的NO輪廓中，雖然預(yù)測結(jié)果都顯著高估了峰值摩爾分數(shù)，但Otomo等^［26］準確預(yù)測了峰值位置，Okafor等^［22］準確度次之。在圖1（e）中，Otomo等^［26］準確地捕捉了NH的峰值位置和峰值摩爾分數(shù)，但略微低估了NH的分布厚度，其他4種機理中Okafor等^［22］具有最好的表現(xiàn)。總結(jié)來說，盡管所有機理的表現(xiàn)還需要進一步改進，但Otomo等^［26］在預(yù)測NH、OH和NO剖面的分布方面表現(xiàn)最佳，但對溫度和相對氧濃度分布預(yù)熱不佳。相比之下，Okafor等^［22］可以較為均衡地預(yù)測實驗數(shù)值，在所有機理中具有較好的表現(xiàn)。因此，1.1節(jié)中的模擬主要基于Okafor等^［22］開展。

1.3 實驗可行性驗證

文獻［19-20］報道了一種使用單臺染料激光系統(tǒng)發(fā)射304 nm激光束，實現(xiàn)NH和NH₃的同步LIF診斷的方法。這種診斷方法能實現(xiàn)氨火焰中NH和NH₃的結(jié)構(gòu)分布可視化。圖2展示了NH和NH₃-LIF測量系統(tǒng)示意圖，詳細設(shè)置如下：摻釹鋁石榴石激光器用于激發(fā)可調(diào)諧染料激光器，從而產(chǎn)生約608 nm的光束，隨后約608 nm的光束經(jīng)倍頻晶體轉(zhuǎn)換為脈沖能量為5 mJ的304.740 nm光束，用來同時激發(fā)NH從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的A³Π-X³Σ^-（1，0）躍遷帶和NH₃的C′-X（2，0）躍遷帶。使用兩臺增強型相機來捕獲這兩個物種的熒光信號，其中一臺相機配備中心波長為337 nm、帶寬為10 nm的帶通濾光片，專門用于探測NH；另外一臺相機配備一個中心波長為575 nm、帶寬為50 nm的帶通濾光片，用于探測NH₃的LIF信號。

基于該方法，在氨氣裂解比為40%、當(dāng)量比1.2、出口速度8 m/s的條件下進行實驗，火焰穩(wěn)定于內(nèi)徑為12 mm的圓形管出口。NH和NH₃-LIF診斷結(jié)果用于評估本文提出的標記物在實驗上的可行性和效果。

一般來說，探測與實驗固定條件下，相機在單位體積內(nèi)捕捉到的LIF強度S_F正比于熒光組分的分子數(shù)密度（即單位體積內(nèi)的分子數(shù)）或濃度（單位體積內(nèi)物質(zhì)的量）n，即S_F∝n。由于本文僅考慮使用LIF信號的空間分布，因此采用定義為LIF強度與最大強度（S_F，max）比值的歸一化LIF強度（S_F/S_F，max）進行研究。類似地，在數(shù)值計算中，本文關(guān)注由分子數(shù)密度輪廓的空間變化，因此使用定義為分子數(shù)密度/濃度與其最大值（n_max）之比的歸一化分子數(shù)密度/濃度（n/n_max），在下文中，這一比值簡稱為歸一化濃度。因此，歸一化LIF強度與歸一化濃度之間存在線性對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系允許將實驗與數(shù)值計算的物種空間分布規(guī)律進行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱釋放區(qū)標記物量化標準及評估

在NH₃-空氣預(yù)混火焰中，熱量主要通過NH₃+OHNH₂ +H₂O、NH₂+OHNH+H₂O以及NH₂+NON₂+H₂O等反應(yīng)釋放^［28］。單組分標記物歸一化濃度（X（NH）、X（NH₂））以及雙組分標記物歸一化濃度乘積（X（NH）×X（OH）、X（NH）×X（NO）、X（NH）×X（NH₂）、X（NH₂）×X（NO）、X（NH₂）×X（OH））可視為熱釋放區(qū)潛在有效的標記物。此外，結(jié)合Zhang等^［12］的研究，本文也采用X（O）以及X（OH）的空間梯度值作為標記物。首先，驗證不同組分與熱釋放率的空間相關(guān)性。表征兩者相關(guān)性的皮爾遜空間相關(guān)系數(shù)r^［15］計算如下

r=∑x_iy－∑x_i∑yN∑x²_i－（∑x_i）²N∑y²－（∑y）² （2）

式中：x_i代表物種i的物質(zhì)的量；y代表熱釋放率；N代表在一維火焰計算域中的網(wǎng)格點數(shù)；∑代表所有網(wǎng)格點上的數(shù)值加和。

一般來說，利用LIF方法進行單組分診斷較為常見，因此，首先驗證單組分標記物的有效性。如圖3所示，在大多數(shù)情況下，單組分NH濃度分布與熱釋放率空間分布具有很好的相關(guān)性。但在濃燃工況下，尤其是在低裂解比下，X（NH）作為標記并不合適，這一點與Zhang等^［12］觀察到的現(xiàn)象一致，即氫含量減小不利于X（NH）作為火焰標記物。X（O）在濃燃工況具有很好的表征效果，但是隨著裂解比增加，其表征效果下降顯著，因此X（O）并不適合作為統(tǒng)一的標記物。NH₂具有相似的表現(xiàn)，在濃燃工況表現(xiàn)較好，但隨裂解比增大表現(xiàn)下降。X（OH）的空間梯度值總體表現(xiàn)欠佳，在高裂解比比下較為適用。總結(jié)來說，單組分中X（NH）具有最佳的表現(xiàn)，且考慮到NH激發(fā)效率高，獲取其高信噪比信號更加容易，X（NH）可以作為最佳的熱釋放區(qū)的表征。

隨著多組分激光誘導(dǎo)熒光同步診斷方法的發(fā)展，氨氣研究日益傾向于采用雙組分或多組分同步LIF診斷，包括NH與OH的LIF、NH與NO的LIF、NH與NH₃的LIF、NH與NH₃及NO的LIF等組合。近期，一些研究已經(jīng)采用雙組分歸一化LIF強度乘積結(jié)果來表征熱釋放區(qū)，這實質(zhì)上等同于采用雙組分的歸一化濃度乘積表征熱釋放區(qū)。如圖3所示，在不同裂解比下，貧燃工況下X（NH）×X（NO）組合表現(xiàn)最佳，而濃燃工況下X（NH₂）×X（NO）組合具有更好的表現(xiàn)。這歸因于X（NH）在貧燃工況、X（NH₂）在濃燃工況下各自具有更好的表現(xiàn)。此外，X（NH）×X（NH₂）組合與X（OH）的空間梯度值類似，僅在較高裂解比下表現(xiàn)優(yōu)異。值得注意的是，在所有工況下，X（NH₂）×X（NO）組合均能獲得較好的相關(guān)性，盡管在一些工況下其相關(guān)系數(shù)略低于X（NH），但其仍可作為雙組分中熱釋放區(qū)的最佳表征組合。

除空間相關(guān)性外，在實驗中準確捕捉熱釋放率輪廓的峰值位置及熱釋放率輪廓半高寬厚度（即熱釋放區(qū)厚度）對于深入理解湍流-化學(xué)的相互作用至關(guān)重要。為了量化標記物組分濃度和熱釋放率輪廓特征的差異，引入兩個無量綱變量X_P/W_H和W/W_H，其中X_P/W_H用于表征標記物峰值位置與熱釋放率輪廓峰值位置之間的差異相比較于熱釋放率半高寬對應(yīng)厚度的變化率，而W/W_H用于比較標記物輪廓半高寬與熱釋放區(qū)厚度之間的差異相對于熱釋放率輪廓半高寬厚度的變化率，如圖4所示。X_P和W分別為標記物與熱釋放率峰值對應(yīng)的橫坐標差異以及兩者的半高寬差異，而W_H表示熱釋放區(qū)厚度。對于理想的熱釋放區(qū)標記物而言，X_P/W_H和W/W_H均應(yīng)趨近于0。

圖5展示了在不同裂解比下，各種熱釋放區(qū)標記物的X_P/W_H和W/W_H隨當(dāng)量比變化的趨勢。在20%的裂解比下，X（NH）在稀燃工況對峰值位置表征較為準確，但在濃燃工況下存在較大偏差；相比之下，X（NH₂）和X（OH）的空間梯度值在濃燃工況下表現(xiàn)更佳。如圖5（a）、（b）和（c）所示，隨著裂解比增加至60%，X（NH）在濃燃工況下對峰值位置的預(yù)測表現(xiàn)逐漸改善，同時X（NH₂）和X（OH）的空間梯度值在濃燃工況下的表現(xiàn)也有所提升。對于多組分標記物，稀燃工況下X（NH）×X（NO）的峰值位置與熱釋放率輪廓峰值位置的重合度最佳，而濃燃工況下X（NH₂）×X（NO）表現(xiàn)更好；隨著裂解比增加，X（NH）×X（NO）在濃燃工況下的表現(xiàn)逐漸改善，而X（NH₂）×X（NO）表現(xiàn)變差。在不同工況下，X（NH₂）×X（OH）的變化規(guī)律與X（NH）×X（NO）相似，但對峰值位置的預(yù)測表現(xiàn)略差。如圖5（d）、（e）和（f）所示，在熱釋放區(qū)厚度預(yù)測方面，大多數(shù)標記物都能實現(xiàn)半高寬預(yù)測誤差低于20%，如X（NH）、X（NH₂）、X（OH）的空間梯度值和X（NH₂）×X（NO），但X（NH）在濃燃工況表現(xiàn)僅在裂解比60%時較好。相比之下，X（NH₂）×X（NO）在不同當(dāng)量比下具有較好的一致性，盡管其表現(xiàn)在高裂解比下有所下降，但仍優(yōu)于大多數(shù)標記物。在裂解比60%情況下，所有標記物表現(xiàn)隨當(dāng)量比變化的穩(wěn)定性增加，并且X（NH）和X（OH）的空間梯度值的在部分當(dāng)量比下的偏差較X（NH₂）×X（NO）更小，表現(xiàn)更好。

總的來說，沒有一種標記物能同時實現(xiàn)對熱釋放率輪廓峰值位置及熱釋放區(qū)厚度的最佳預(yù)測。相比之下，X（NH）和X（NH）×X（NO）在表征熱釋放率峰值位置方面表現(xiàn)良好，而X（NH₂）×X（NO）在預(yù)測熱釋放區(qū)厚度方面表現(xiàn)最佳，僅在裂解比為60%的某些當(dāng)量比下，X（NH）和X（OH）的空間梯度值的表現(xiàn)更為優(yōu)越。NH-LIF診斷方法因具有激發(fā)效率高、信號強等顯著優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于實驗上熱釋放區(qū)的表征。但需要注意，X（NH）對熱釋放區(qū)的表征準確度仍受當(dāng)量比和裂解比的影響，這說明在相關(guān)研究中需根據(jù)工況針對性選取熱釋放區(qū)標記物。

2.2 預(yù)熱區(qū)標記物量化標準及評估

預(yù)熱區(qū)是未燃混合物在抵達熱釋放率發(fā)生區(qū)域之前，逐漸受熱升溫的區(qū)域。其厚度δ_P一般采用溫度區(qū)間進行定義，定義為

δ_P=T_ig－T₀max（dT/dx） （3）

式中：T₀為初始溫度；x為火焰?zhèn)鞑シ较虻木嚯x；max（dT/dx）為溫度隨距離變化的最大梯度；T_ig為點火溫度，定義為max（dT/dx）所在位置的溫度。

在含碳燃料-空氣預(yù)混火焰實驗中，CH₂O常用作為預(yù)熱區(qū)標記物。一般來說，實驗上通過定義信號強度閾值，提取CH₂O-LIF信號在未燃側(cè)的邊界，作為預(yù)熱區(qū)的前沿，而預(yù)熱區(qū)的后沿為熱釋放區(qū)標記物信號強度的半高寬在預(yù)熱區(qū)的位置，從而獲取預(yù)熱區(qū)厚度，如Skiba等^［29］定義以局部最大強度30%處的CH₂O-LIF位置作為預(yù)熱區(qū)前沿，兩組分歸一化LIF信號強度X（CH₂O）×X（OH）或單組分歸一化信號LIF強度X（CH）表征的熱釋放區(qū)的50%強度位置作為預(yù)熱區(qū)后沿。類似地，在當(dāng)前氫氨火焰的研究中，預(yù)熱區(qū)的后沿選取為熱釋放率輪廓半高寬在預(yù)熱區(qū)側(cè)位置。圖6展示了溫度和熱釋放率輪廓隨距離的變化。值得注意的是，盡管式（4）定義的預(yù)熱區(qū)后沿與熱釋放率半高寬所在位置略有不同，但其能準確確定預(yù)熱區(qū)邊界，因此本文采用式（4）來確定預(yù)熱區(qū)前沿。為確保與實驗處理的一致性，本文將預(yù)熱區(qū)厚度d_P定義為上述前沿和后沿之間的距離。

在多組分同步實驗中，由于兩組分歸一化LIF信號相乘難以有效表征預(yù)熱區(qū)，因此提出一種新方法，即采用兩組分歸一化LIF信號相加來表征預(yù)熱區(qū)厚度。實驗圖像中的強度極大值和極小值特征在數(shù)據(jù)處理時更易于準確識別。圖6顯示了以歸一化濃度加和X（NH₃）+X（NH）為例的標記物濃度分布特征，在熱釋放區(qū)之前，可以清晰識別到一個濃度極小值位置，該位置用作預(yù)熱區(qū)前沿的表征。本文選擇X（NH₃）+X（NH）和X（NH₃）+X（NO）作為預(yù)熱區(qū)表征物，并通過檢驗標記物和預(yù)熱區(qū)厚度的比值（即W_P/δ_P）來評價標記物與預(yù)熱區(qū)的重合度。具體來說，標記物厚度W_P定義為以局部極小值為前沿、熱釋放率輪廓半高寬未燃側(cè)位置為后沿所包圍區(qū)域的距離，如圖6中所示。

圖7（a）展示了W_P/δ_P在裂解比20%～60%范圍下隨當(dāng)量比的變化。可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方法都低估了預(yù)熱區(qū)厚度。X（NH₃）+X（NH）只表征了30%左右的預(yù)熱區(qū)厚度，但其W_P/δ_P在不同裂解比下十分接近，且在不同當(dāng)量比下僅在25%～40%范圍內(nèi)變化。相比之下，X（NH₃）+X（NO）表現(xiàn)出較差的一致性，但在濃燃工況下可以表征超過50%的預(yù)熱區(qū)厚度。因此，從定量角度講，實驗中預(yù)熱區(qū)厚度有潛力基于標記物X（NH₃）+X（NH）或X（NH₃）+X（NO）厚度的倍數(shù)進行計算；從定性角度講，實驗中預(yù)熱區(qū)位置，可以大致確定為X（NH₃）信號和X（NH）信號區(qū)域之間的局部低強度區(qū)域來表征，而針對預(yù)熱區(qū)是否增厚問題，可以直接比較這個低強度區(qū)域的厚度變化。為了驗證預(yù)熱區(qū)后沿位置定義是否對上述結(jié)論產(chǎn)生影響， 圖7（b）給出了使用點火溫度T_ig對應(yīng)的位置作為預(yù)熱區(qū)后沿得到的預(yù)熱區(qū)厚度δ_P時，標記物的變化。可以發(fā)現(xiàn)，比值隨當(dāng)量比變化趨勢與圖7（a）十分相似，X（NH₃）+X（NH）組合在不同裂解比下的變化幅度略有減小，X（NH₃）+X（NO）組合仍可以表征更寬的預(yù)熱區(qū)域。綜上所述，無論預(yù)熱區(qū)采用哪種定義方式，上述標記物均可在一定程度上表征預(yù)熱區(qū)厚度，X（NH₃）+X（NH） 具有最穩(wěn)定的表現(xiàn)，而X（NH₃）+X（NO）可以表征更寬的預(yù)熱區(qū)域。

2.3 實驗驗證

以往的熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度表征研究中，基于數(shù)值模擬的標記物驗證工作已廣泛開展，但實驗上的可行性驗證卻鮮有嘗試，并且關(guān)于氫氨預(yù)混火焰預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)厚度的報道也較少。本研究開展NH-/NH₃-LIF同步診斷實驗，旨在捕捉層流火焰結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，驗證熱釋放區(qū)厚度標記物X（NH）以及預(yù)熱區(qū)標記物X（NH₃）+X（NH）的可行性和表征效果。

圖8（a）展示了裂解比40%、當(dāng)量比1.2以及出口速度為8 m/s的層流火焰長曝光數(shù)碼照片。圖8（b）顯示了基于兩臺相機同時捕捉的NH和NH₃的LIF平均圖像，分別用紅色和藍色表征。可以發(fā)現(xiàn)：NH和NH₃信號區(qū)域之間存在一條黑色的間隙；依據(jù)2.2節(jié)的討論，這個低強度間隙區(qū)域可能與預(yù)熱區(qū)相對應(yīng)。例如，第一行中，三組分的疊加圖像所示，當(dāng)前圖像可以較好地利用NH表征外側(cè)熱釋放區(qū)、NH₃表征未燃區(qū)、NH與NH₃之間的間隙厚度與預(yù)熱區(qū)相關(guān)。沿圖8（b）中的白線提取了這幾種信號的歸一化強度分布，如圖9所示。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，Okafor機理^［22］計算的分子數(shù)密度分布可以較為準確地捕捉實驗獲取的LIF信號強度規(guī)律，尤其是對X（NH）峰值位置和厚度的捕捉。分別提取了熱釋放區(qū)標記物X（NH）的半高寬；與此同時，以X（NH₃）+X（NH）的局部最小值為預(yù)熱區(qū)前沿，X（NH）半高寬為預(yù)熱區(qū)的后沿，提取了預(yù)熱區(qū)厚度。此外，給出了40%裂解比、當(dāng)量比1.2工況下標記物的熱釋放率輪廓半高寬差異系數(shù)（W－W_H）/W_H以及預(yù)熱區(qū)厚度重合度W_P/δ_P，用于推導(dǎo)熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度。

標記物表征的厚度及模擬結(jié)果見表1，其中實驗和提取過程中誤差約為5%。實驗中和模擬中預(yù)熱區(qū)后沿分別從X（NH）和熱釋放率輪廓半高寬左側(cè)的位置獲取。可以發(fā)現(xiàn)，模擬獲取的標記物厚度可以較好的吻合實驗數(shù)值，均保持在實驗誤差范圍內(nèi)。在利用模擬獲取的厚度偏差修正后，基于NH-LIF 實驗值推導(dǎo)得到的熱釋放區(qū)厚度與模擬得到的結(jié)果完全一致，而基于X（NH₃）+X（NH）也可獲得預(yù)熱區(qū)厚度。因此，上述兩種標記物在實驗中具有可行性，并且熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度也可以基于模擬獲取的厚度差異進行修正而準確獲得。在定性研究中，X（NH）具有與熱釋放區(qū)厚度最小的差異，可以直接視為熱釋放區(qū)的良好標記物，而本研究也提出X（NH₃）+X（NH）可以用于獲取預(yù)熱區(qū)位置定性表征和厚度定量計算的方法。這將為氫氨湍流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)的研究提供重要的指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

本文利用一維傳播火焰模擬和NH與NH₃的同步激光診斷實驗方法，對不同氨裂解比和當(dāng)量比下氨氣/氫氣/氮氣-空氣預(yù)混火焰中熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度表征方法進行了研究，獲得了多種標記物的表征效果，得到的結(jié)論如下。

（1）單組分歸一化濃度X（NH）、X（NH₂）分別在貧燃和濃燃工況下能夠較好表征熱釋放率輪廓分布，而雙組分歸一化濃度乘積X（NH₂）×X（NO）在不同裂解比及當(dāng)量比下均與熱釋放率輪廓分布呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性；X（NH）和X（NH）×X（NO）在表征熱釋放率峰值位置方面表現(xiàn)較好，而X（NH₂）×X（NO）則在表征熱釋放區(qū)厚度方面最佳。

（2）組分歸一化濃度加和X（NH₃）+X（NH）與X（NH₃）+X（NO）的空間分布存在局部極小值，此極小值位置可用于標記預(yù)熱區(qū)前沿；其中，X（NH₃）+X（NH） 在寬廣工況下表現(xiàn)出穩(wěn)定的厚度表征程度，而X（NH₃）+X（NO）則能夠表征更寬的預(yù)熱區(qū)厚度。

（3）NH與NH₃的同步激光誘導(dǎo)熒光診斷實驗結(jié)果證明，經(jīng)過模擬修正，實驗獲取的X（NH）信號半高寬厚度能準確表征熱釋放區(qū)厚度，而X（NH₃）+X（NH）組合可用于準確提取預(yù)熱區(qū)厚度。這為實驗表征氫氨湍流火焰的熱釋放區(qū)和預(yù)熱區(qū)厚度提供了有效指導(dǎo)。

參考文獻：

［1］KOBAYASHI H， HAYAKAWA A， SOMARATHNE K D K A， et al. Science and technology of ammonia combustion ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2019， 37（1）： 109-133.

［2］VALERA-MEDINA A， XIAO H， OWEN-JONES M， et al. Ammonia for power ［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2018， 69： 63-102.

［3］周上坤， 楊文俊， 譚厚章， 等. 氨燃燒研究進展 ［J］. 中國電機工程學(xué)報， 2021， 41（12）： 4164-4181.

ZHOU Shangkun， YANG Wenjun， TAN Houzhang， et al. Research progress of ammonia combustion ［J］. Proceedings of the CSEE， 2021， 41（12）： 4164-4181.

［4］范衛(wèi)東， 陳鈞. 氨氣燃燒強化措施及NO_x控制策略研究進展 ［J］. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2022， 50（7）： 14-23.

FAN Weidong， CHEN Jun. Research progress of combustion enhancement and NO_x control strategies for ammonia combustion ［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2022， 50（7）： 14-23.

［5］劉晶儒， 胡志云. 基于激光的測量技術(shù)在燃燒流場診斷中的應(yīng)用 ［J］. 中國光學(xué)， 2018， 11（4）： 531-549.

LIU Jingru， HU Zhiyun. Applications of measurement techniques based on lasers in combustion flow field diagnostics ［J］. Chinese Optics， 2018， 11（4）： 531-549.

［6］ZHOU Bo， KIEFER J， ZETTERBERG J， et al. Strategy for PLIF single-shot HCO imaging in turbulent methane/air flames ［J］. Combustion and Flame， 2014， 161（6）： 1566-1574.

［7］VAGELOPOULOS C M， FRANK J H. An experimental and numerical study on the adequacy of CH as a flame marker in premixed methane flames ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2005， 30（1）： 241-249.

［8］PAUL P H， NAJM H N. Planar laser-induced fluorescence imaging of flame heat release rate ［J］. Symposium （International） on Combustion， 1998， 27（1）： 43-50.

［9］CHENG Mengzhen， WANG Haiou， XIAO Hua， et al. Emission characteristics and heat release rate surrogates for ammonia premixed laminar flames ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 46（24）： 13461-13470.

［10］SONG Chengbin， WANG Haiou， CHENG Mengzhen， et al. A DNS study of heat release rate surrogates with unity and non-unity exponents for ammonia/air premixed flames ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2023， 48（43）： 16470-16480.

［11］ZHU Xuren， GUIBERTI T F， LI Renfu， et al. Numerical study of heat release rate markers in laminar premixed ammonia-methane-air flames ［J］. Fuel， 2022， 318： 123599.

［12］ZHANG Haotian， HAN Xinlu， JIANG Jianyi， et al. Numerical study of experimental feasible heat release rate markers for NH₃-H₂-air premixed flames ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（65）： 28165-28175.

［13］XING Jiangkuan， PILLAI A L， KUROSE R. Heat release rate surrogate for ammonia-hydrogen premixed flames under various conditions ［J］. Applications in Energy and Combustion Science， 2023， 15： 100193.

［14］CHI Cheng， SREEKUMAR S， THéVENIN D. Data-driven discovery of heat release rate markers for premixed NH₃/H₂/air flames using physics-informed machine learning ［J］. Fuel， 2022， 330： 125508.

［15］HARDAYA A P， KULATILAKA W D， SORIANO B S， et al. Heat release surrogates for NH₃/H₂/N₂-air premixed flames ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2024， 40（1/4）： 105432.

［16］STEINBERG A M， HAMLINGTON P E， ZHAO Xinyu. Structure and dynamics of highly turbulent premixed combustion ［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2021， 85： 100900.

［17］LI Z S， LI B， SUN Z W， et al. Turbulence and combustion interaction： High resolution local flame front structure visualization using simultaneous single-shot PLIF imaging of CH， OH， and CH₂O in a piloted premixed jet flame ［J］. Combustion and Flame， 2010， 157（6）： 1087-1096.

［18］FAN Qingshuang， LIU Xin， CAI Xiao， et al. Structure and scalar correlation of ammonia/air turbulent premixed flames in the distributed reaction zone regime ［J］. Combustion and Flame， 2022， 241： 112090.

［19］WANG Guoqing， WANG Shixing， GUIBERTI T F. Simultaneous planar laser-induced fluorescence measurement of reactant NH₃， radical NH， and pollutant NO in ammonia-hydrogen flames using a single dye laser ［J］. Combustion and Flame， 2023， 256： 112981.

［20］WANG Ze， LI Xun， LI Lunang， et al. Strategy for simultaneous multi-scalar imaging in turbulent NH₃/H₂ premixed flames using a single laser system ［J］. Combustion and Flame， 2022， 242： 112185.

［21］ KEE R J， DIXON-LEWIS G， WARNATZ J， et al. A Fortran computer code package for the evaluation of

gas-phase， multicomponent transport properties ［M］. Livermore， CA， USA： Sandia National Laboratories Livermore， 1988.

［22］OKAFOR E C， NAITO Y， COLSON S， et al. Expe-rimental and numerical study of the laminar burning velocity of CH₄-NH₃-air premixed flames ［J］. Combustion and Flame， 2018， 187： 185-198.

［23］HAN Xinlu， WANG Zhihua， HE Yong， et al. Expe-rimental and kinetic modeling study of laminar burning velocities of NH₃/syngas/air premixed flames ［J］. Combustion and Flame， 2020， 213： 1-13.

［24］ZHANG Xiaoyuan， MOOSAKUTTY S P， RAJAN R P， et al. Combustion chemistry of ammonia/hydrogen mixtures： jet-stirred reactor measurements and comprehensive kinetic modeling ［J］. Combustion and Flame， 2021， 234： 111653.

［25］STAGNI A， CAVALLOTTI C， ARUNTHANAYOTHIN S， et al. An experimental， theoretical and kinetic-mode-ling study of the gas-phase oxidation of ammonia ［J］. Reaction Chemistry amp; Engineering， 2020， 5（4）： 696-711.

［26］OTOMO J， KOSHI M， MITSUMORI T， et al. Chemical kinetic modeling of ammonia oxidation with improved reaction mechanism for ammonia/air and ammonia/hydrogen/air combustion ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2018， 43（5）： 3004-3014.

［27］BRACKMANN C， ALEKSEEV V A， ZHOU Bo， et al. Structure of premixed ammonia+air flames at atmospheric pressure： laser diagnostics and kinetic modeling ［J］. Combustion and Flame， 2016， 163： 370-381.

［28］COLSON S， HAYAKAWA A， KUDO T， et al. Extinction characteristics of ammonia/air counterflow premixed flames at various pressures ［J］. Journal of Thermal Science and Technology， 2016， 11（3）： JTST0048.

［29］SKIBA A W， WABEL T M， CARTER C D， et al. Premixed flames subjected to extreme levels of turbulence： part Ⅰ flame structure and a new measured regime diagram ［J］. Combustion and Flame， 2018， 189： 407-432.

（編輯 亢列梅）