【鹭威奖学金】西北工业大学团队通过纹影技术研究近临界氨喷射，成果发表于国际期刊Fuel

为了应对全球气候变化，无碳燃料的研究日趋流行。西北工业大学动力与能源学院郭老师课题组通过纹影技术深入研究了近临界条件下氨喷射的特性。该研究成果发表于Elsevier 出版国际知名SCI期刊《Fuel》（影响因子7.5），论文题为《Experimental investigation of near-critical ammonia injectors using ECN Spray M injector》。

1. 论文摘要（中文翻译）

为应对气候变化，发动机燃烧网络（ECN）正在推进无碳燃料的研究，以支持可持续发动机技术的发展。本研究利用ECN标准喷油器 Spray M，在近临界燃料喷射条件下，结合高速纹影成像技术，研究了氨喷雾的动态行为，重点分析了喷射压力（Pf）、喷射温度（Tf）和环境压力（P∞）的影响。

研究结果表明，环境压力的升高会导致喷雾结构的明显变化，呈现出钟形塌缩（bell-collapse）、射流塌缩（jet-collapse）和独立射流（individual-jet）等典型形态。这些结构受到蒸发、喷雾与环境的相互作用以及喷嘴附近射流膨胀等汽化与气动效应的影响。

在 Pf = 11.3 MPa 和 P∞ = 5.0 bar 条件下，近临界和超临界喷射表现出与亚临界情况显著不同的形态特征，尤其在近临界和超临界状态下，喷雾塌缩现象消失，表明存在独特的相变行为。

通过自组织映射（SOM）分析发现，超临界喷射在低环境压力（P∞ = 0.4 和 1.0 bar）下可实现喷雾特性平衡，在高环境压力（P∞ = 5.0 bar）下则展现出高效的喷雾行为。此外，马赫盘（Mach disk）的出现表明，在高环境压力下喷雾与环境之间存在强烈的相互作用，并伴随有闪蒸现象，形成明显的激波结构。

这些发现表明，超临界喷射对于发动机压缩行程后期的燃烧策略具有潜在优势。总体而言，本研究为氨喷雾动力学提供了关键认识，有助于直喷系统在清洁燃烧方向上的设计优化。

2. 实验设置

该喷雾实验在定容弹中进行，喷嘴采用的是ECN Spray M标准构型8孔喷嘴。该喷嘴内径0.17mm，沉头孔直径0.4mm，钻孔角度36.8°。实验主要采用高速纹影技术，实验台布置如图1所示。

图1.实验设备布置示意图

• 工质喷射压力：5.12-12.0MPa

• 工质温度：363-413K

• 喷射时长：2.5微秒

• 容弹环境（空气）压力：0.1-5.0 bar

从上述工况可以看出用氨作为工质，燃料工作压力还是非常高的，最高有120个大气压。

本研究主要采用鹭威纹影系统作为测量工具：

纹影仪型号：Luftvis-100

观测区域：圆形直径110mm

纹影光源：鹭威大功率（300W）LED光源，型号LuftvisIlluminator-300W

相机拍摄帧率：20000fps

曝光时间：1微秒

3. 主要实验结果

图2-图4对比了不同喷射压比和温度对氨喷雾形态的影响。图中彩色的喷雾形态是纹影原始灰度图片后处理的结果，值得学习，近似浓度的分布。

图2. 喷射压力11.3MPa，容弹压力0.01MPa（压比11300）下喷雾形态随喷射温度的变化