近极限氨气层流燃烧速度的实验与动力学研究：稀释效应与压力影响下的火焰稳定性分析

本文通过定容燃烧弹法系统研究了NH3/air近极限火焰的层流燃烧速度（LBV），探究了Ar/N2稀释（5%体积分数）和压力变化（0.6-1.5 atm）对火焰动力学特性的影响。研究发现N2稀释对LBV的抑制作用强于Ar，且低压力条件可抑制流体力学不稳定性。通过验证Mei 2021和Han 2020等动力学模型，揭示了H+O2=O+OH（促进）与NH2+OH=NH+H2O（抑制）为关键反应路径，为氨燃料在零碳能源中的应用提供了基础数据支撑。

　　

Highlight

本研究创新性地通过实验与数值模拟相结合的手段，全面探究了NH₃/air近极限球形传播火焰的特性。其重要意义在于首次系统测量了大气压下Ar/N₂稀释（5%）和变压力条件（0.6-1.5 atm）中超低速（<3 cm/s）NH₃火焰的层流燃烧速度(LBV)，填补了该领域近极限燃烧数据的空白。

流体力学不稳定性

燃烧作为放热反应必然伴随热膨胀效应，这是预混火焰产生流体力学不稳定性的主因。该现象受两个关键参数调控：火焰两侧密度差(σ)和火焰厚度(δ_T)。σ增大会加剧不稳定性，而δ_T增大则起抑制作用。

敏感性分析

针对贫燃、化学计量比和富燃条件下的NH₃/air火焰，我们进行了反应速率敏感性分析。结果显示：H+O₂=O+OH反应对LBV始终呈现显著促进作用（敏感系数+0.15），而NH₂+OH=NH+H₂O反应则表现出强烈抑制作用（敏感系数-0.12）。特别值得注意的是，在N₂稀释条件下，NH₂+OH路径的流量贡献骤降38.6%-40.4%，这为理解稀释剂对反应网络的干扰机制提供了新视角。

Conclusion

通过定容燃烧弹实验，我们获得了NH₃/air及其稀释体系在近极限条件下的LBV数据。研究发现：N₂稀释对燃烧速度的抑制强于Ar；降低压力可有效抑制流体力学不稳定性；而贫燃条件下的优先扩散不稳定性会因负Markstein长度而增强。动力学分析表明关键反应路径的敏感性系数和通量在不同条件下仅呈现微小波动，但N₂稀释会显著改变NH₂+OH反应的贡献比例。