NH3/H2预混合气激光点火特性实验

张俊杰，江 鑫，刘昀洋，胡二江，黄佐华

NH3/H2预混合气激光点火特性实验

张俊杰，江 鑫，刘昀洋，胡二江，黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

基于定容燃烧弹，在不同初始压力、当量比和掺氢比条件下，对NH3/H2预混合气进行了激光点火实验研究，分析了不同条件下的火焰发展形态及最小点火能量MI．研究发现，随掺氢比的增加，火焰受浮力的影响减弱，火焰边界逐渐清晰；升高压力能降低混合气的MI，但不同当量比混合气的MI受压力改变的影响程度不同；纯氨气的火焰发展极不稳定且MI极高，掺混H2后能极大降低MI，可以有效拓宽氨气的可燃使用范围，其中掺氢比为10%时，MI降低效果最明显．

激光点火；氨气；最小点火能量；点火成功率；定容燃烧弹

为了应对碳排放带来的全球气候影响以及体现大国在环境保护问题上的责任，2020年中国提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，“双碳”目标的提出无疑对当前已有的降低碳排放的方法与技术提出了新的考验，如何更高效更经济地减少碳排放已经成为了当前众多研究者关注的目标，其中减少含碳燃料的使用是一条重要的途径．

近年来各类低碳和无碳燃料已经越来越受到研究者的关注，氨气作为一种“无碳高氢”的燃料，在燃烧后可以实现零碳排放，且氨气的运输成本较低，能量密度较高，在锅炉和燃机中可直接用于燃烧，是一种优秀的发动机燃料[1-3]．此外氨气还可以广泛应用于电子、化工、食品、炸药等行业，合成氨技术的发展已经让氨气成为了一种价格低廉、产量巨大的化工品，因此氨气作为燃料具有广阔的应用前景[4-5]．

在实际应用中氨气作为燃料燃烧还存在一些问题，如氨气的可燃性较低、可燃范围窄，此外氨气的燃烧速度较低，这会使得在某些极端的工况下，氨气燃烧的火焰稳定性较差，易出现抖动或熄灭等问题，而且氨气在燃烧时可能会伴有较高的NO排放，这些问题都使氨气在作为燃料的应用上受到限制．目前比较有效可行的应用途径是在氨气中掺混如氢气、甲烷等燃烧性能更佳的燃料辅助燃烧，这可以有效地提高其可燃性以及火焰稳定性，而氢气作为另一种无碳燃料则是理想的选择．

由于氨气的低可燃性，这使得传统的火花点火方式在氨气燃料的点火问题上显得乏力，除了掺混可燃性较高的燃料外，使用其他的高能点火方式也有助于混合气的成功点火及燃烧．为了实现高效、稳定、可靠点火，可以使用一种新型的点火方式：激光点火.根据激光点火的原理不同，主要可分为以下3种：激光热点火、激光诱导光化学点火、激光诱导等离子体点火(laser induced plasma ignition，LIPI)．LIPI通过诱导击穿产生大量高温等离子体完成点火过程，不存在与目标分子吸收波长匹配等问题[6-7]，同时LIPI发射的电磁波可以忽略不计，最大限度地降低了电磁干扰的风险[8]，LIPI还可以更好地控制点火时间和位置，有利于多点点火的应用[9-10]．此外，氨气在稀薄条件下会更难以点火成功，所以LIPI比电火花点火更适应于氨气这类低可燃性燃料的点火使用．

目前已有许多研究学者对氨气和氨/氢的混合气燃烧特性进行了广泛的研究，其中多数是火焰发展期间的燃烧特性．Mei等[11]研究了NH3/H2/N2/空气的混合气在1MPa范围内的层流火焰传播过程及动力学模型，以此来研究燃料部分裂解技术对氨气燃烧的增强作用，结果表明使用的模型能较好地预测部分裂解氨气混合气的层流燃烧速度，热效应对NH3层流火焰传播的增强作用较小，而化学效应对层流火焰传播的增强作用较大．Li等[12]研究了在0.05～0.2MPa下NH3/H2/空气混合气的层流燃烧速度，马克斯坦长度和火焰传播的不稳定性，研究发现压力对层流燃烧速度的影响取决于氢浓度，马克斯坦长度随当量比单调增加，在稀薄条件下，火焰不稳定性增强，而不同的反应机理和实验结果之间存在较大差异．Osipova 等[13]研究了常压下预混氨/氢火焰的化学结构与层流燃烧速度，使用不同模型预测了火焰结构，并得到了较好的效果，发现当量比稍浓的混合气NO排放量更低．数值模拟结果表明，压力升高可以减少NO的生成，但对于纯氨气燃烧需要寻找其他更有效的降低NO排放的方法．Wang等[14]使用激光点火来研究氨气/氢气混合气的层流燃烧特征，其中当量比从0.7～1.4变化，压力变化为0.1～0.5MPa，掺氢比为0～20%，并利用动力学模型计算了层流燃烧速度，发现混合气层流燃烧速度随当量比增大先增大，并在1.1附近达到峰值，然后逐渐减小．初始环境压力的增加会降低层流燃烧速度，在掺氢比为20%时，所用的模型的层流燃烧速度预估值都偏大．

由此可见，目前对于氨气/氢气混合气燃烧的研究主要集中在层流燃烧速度和化学反应机理上，且研究内容较为单一，主要关注在点火成功后的混合气燃烧及火焰发展阶段，而对于氨气/氢气混合气点火阶段的点火特性研究还有所欠缺．本实验使用氨气/氢气/空气预混合气，在定容燃烧弹中，使用激光诱导等离子体点火，对混合气在不同条件下的火核发展及最小点火能量进行了研究，并解释了不同工况下上述结果的变化原因，为氨气燃料的实际应用提供了参考．

1 实验装置及数据处理

1.1 实验装置

激光点火实验平台如图1所示，主要包括进排气系统、光路系统、点火系统和数据采集系统等．本实验所使用的定容燃烧弹的腔体轴向和径向两端面各有两个石英玻璃视窗，此外，定容燃烧弹还装有压力变送器(罗斯蒙特3051TA)，用于测量进气时的静压力，压电式压力传感器(Kistler 7001)用于测量燃烧过程中的压力．

图1 激光点火实验系统示意

激光点火系统采用Nd：YAG灯泵浦纳秒调Q激光器(Grace NASOR800)，有355nm/532nm/1064nm共3个波长可供选用，本文使用的是532nm．激光脉冲能量是通过外部光路上的能量衰减器进行调节，激光脉冲能量的测量主要通过分光镜和两个能量计(Coherent)来实现．光路系统包括光源、凸透镜和高速摄相机(Phantom V2012)，高速摄像机帧速为10000 帧/s．实验中使用各气体纯度均为99.999%．

1.2 实验工况

实验所用空气为N2与O2的混合气(体积比为3.762∶1)，燃烧室内的初始温度约为298K，静态压力保持在约0.1MPa(室内环境条件)，在进行点火实验时，每组工况均进行20次以上点火以保证准确性，具体实验工况见表1．

表1 实验工况

Tab.1 Experimentalconditions

1.3 数据处理

本实验中，将最小点火能量定义为点火成功率为50%时，对应的激光入射能量，记为MI(minimum ignition energy)，为了获得点火成功率与点火能量之间的关系，本文使用逻辑回归方法对点火结果进行统计[15]，在改变激光入射能量时参考前一次点火结果，如果上一次点火成功，则下一次将降低入射能量；否则将提高入射能量直至点火成功．由于混合气会因为多次击穿而改变初始条件，所以在同一次实验中，最多尝试5次点火，若全部失败，则需更换容弹内的混合气进行下一次实验，并继续提高点火能量，重复以上过程．

在记录和处理数据时，对于某一点火能量，将点火结果为成功的结果记为1，未成功的结果记为0，建立一个二值化结果模型，其中为点火成功的阈值，具体函数关系式如式(1)：

定义在点火能量下的点火结果累计概率分布函数()：

对于次实验的结果，其点火能量和点火结果可以用似然函数来表示：

其中()可以用带参数的逻辑分布函数来表示，0和1为似然函数的估计参数：

最后，95%置信区间的上置信限(UCL)和下置信限(LCL)可以使用双边区间的大样本方法计算，所有程序处理过程均在Matlab软件中进行，图2是初始压力为0.1MPa、当量比为1.0、掺氢比为20%时的点火成功率曲线，实验的原始数据在图中以蓝色菱形表示，在后续的作图中由于数据量较大，故仅保留概率分布曲线和置信区间．

图2 点火成功率处理结果示意

2 混合气激光点火的火焰发展

激光点火的火焰不同于常规电火花点火的球型火焰，而是呈现三瓣型，原因是激光入射后，沿光路方向的混合气对光的能量吸收不同，所以产生的温度场和压力场关于垂直光路的方向不对称，而且由于温度场和压力场的梯度不重合，会导致斜压转矩的出 现[16]，在发展过程中，火核在激光入射一侧和出射一侧会形成强度不同的两对旋涡，随着火核发展，旋涡带动混合气流动最终形成三瓣型火焰．

由于混合气的火焰发展较弱，第三瓣火焰会由于流动在早期很快消散，所以本文所示的火焰发展后期图片均为上下对称的两瓣火焰．图3为初始压力＝0.1MPa、掺氢比为20%、发展时刻为3ms时，不同当量比的火焰发展图片．可以看出当量比为1.0时火焰发展速度最快，当量比为0.8时，由于混合气浓度过低，所以不如当量比较高的工况火焰发展边界清晰．由于氨气燃烧速度较慢，所以火焰在发展过程中会出现上浮的现象，激光点火会形成上下两瓣火焰，所以在浮力作用下上半部分火焰会发展更快．因为当量比为1.0时的火焰发展最快，所以受浮力的影响最小，上下两瓣火焰的大小差异也最小．

图3 不同当量比下的火焰发展图片

图4为初始压力＝0.1MPa、当量比为1.0、发展时刻为3ms时，不同掺氢比的火焰发展图片．可以看到纯氨气的火焰发展极不稳定，上下两瓣火焰已不能维持其原有的形态，而且火焰边界非常不清晰.纯氨气由于火焰发展速度慢，火焰受浮力的影响最大，随着掺氢比的提高，火焰越发稳定，发展速度也越快，边界越清晰，且上下两部分火焰之间的差异也越小，所以氢气的掺混能极大改善氨气火焰的稳定性.

图4 不同掺氢比下的火焰发展图片

图5是当量比为1.0、掺氢比为20%、发展时刻为3ms时，不同初始压力的火焰发展图片．从图中可以看出，初始压力的提高会减小火焰发展速度(但也能降低MI，后文详述)，并且因为混合气初始的量增加，火焰边界的亮度会有所加强．由于压力增加会导致氢气和氨气的量同时增加，但氨气在混合气中的占比更大，所以受浮力的影响也会加大，而且火焰发展到后期会出现多瓣火焰层叠的趋势，推测是由于压力提高导致初始火核出现了多瓣火焰．

从火焰发展图片可以看出，氢气的掺混能有效地加强氨气火焰的稳定性，火焰边界能一直稳定到发展后期．火焰的发展速度越快，则火焰受浮力的影响也越小，所以对于掺氢比更高、初始压力更低的混合气和当量比为1.0的混合气，其上下两部分火焰的形态相差也越小．

（a）＝0.1MPa （b）＝0.2MPa

图5 不同压力下的火焰发展图片

Fig.5 Flame development under different initial pressures

3 点火成功率和最小点火能量

混合气均在常温下(298K)进行点火，多次重复实验保证其准确性，为了表现不同条件下的点火成功率及最小点火能量的对比，以及保证结果图的简洁，故后续图中的数据点并未列出，具体数据处理过程及带有实验数据的结果请参考1.3节及图2．

3.1 掺氢比和初始压力的影响

图6和图7分别是在初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，当量比＝0.6，不同掺氢比混合气的点火成功率与点火能量的变化关系，图中实线表示分布函数拟合曲线，两侧红色虚线为该工况下的拟合曲线的置信区间，后续图同理，表2和表3分别为图6和图7中的数据拟合后的参数及MI结果．由于0.6已经是纯氨气的稀燃极限，其MI已超出实验所用波长(532nm)激光的能量范围，在两种初始压力下多次实验，均未能成功点火，故未给出拟合曲线，但从采集到的激光能量可知，其MI应大于250mJ．从表中可以看出掺混氢气后能极大降低混合气的MI，甚至能将当量比处于稀燃极限的混合气点燃，说明氢气的掺混能有效拓宽氨气的使用工况范围，但相较于从纯氨气到掺氢10%的工况，掺氢比从10%增加到20%时，MI的降低幅度有所降低．从图中可以看到，掺混比为10%的工况置信区间要比20%的工况更宽，这是因为在相同当量比的混合气中，氢气占比越低则配气误差越大，但这并不影响不同掺氢比混合气之间的MI相对大小，后续图同理．

图6 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.1MPa，f＝0.6)

图7 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.2MPa，f＝0.6)

表2 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.1MPa，＝0.6)

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

表3 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.2MPa，＝0.6)

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

从表2和表3可以看出，增加初始压力会降低点火所需的能量，这是因为在点火阶段，燃料的消耗速率正比于初始压力，当压力升高时，燃料消耗加快，此时火核内的预混合气的温度升高速率也会增大，所以在更高的初始压力下，火核能更快达到由高温热核向自维持火焰转变的温度，继而引发火核周围的混合气，形成稳定的火焰传播过程，这也是点火成功的 表现.

对于混合气的点火过程能否成功，其主要因素有两个[17]：一是混合气被击穿时，能否快速启动化学反应形成高温的热火核；二是火核在向自维持火焰转变的过程中，释放的热量是否会被周围较冷的混合气散失．因此点火能量和火核阶段的化学反应温升速率都是影响点火成功率的关键，所以提高初始压力可以降低最小点火能量，但这种变化对不同工况的混合气影响程度不同．

图8和图9分别是在初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，当量比＝0.8，不同掺氢比的混合气的点火成功率与点火能量的变化关系，表4和表5分别为图8和图9中的数据拟合后的参数及MI结果．从表中可以看出，虽然当量比为0.8的纯氨气能点火成功，但其MI依然非常高，不同初始压力的工况均在100mJ以上，而掺混氢气后与当量比为0.6的工况类似，能极大降低MI，掺混比为10%时，在两种初始压力下，MI均在20mJ左右，降低幅度超过80%，但继续增大掺氢比至20%，虽然MI能继续下降至15mJ以下，但降低幅度已减小到了40%以下．同时可以看出，增加初始压力对于当量比为0.8的混合气的MI降低效果并不明显．

图8 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.1MPa，f＝0.8)

图9 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.2MPa，f＝0.8)

表4 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.1MPa，＝0.8)

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

表5 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.2MPa，＝0.8)

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

图10和图11分别是在初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，当量比＝1.0，不同掺氢比混合气的点火成功率与点火能量的关系，表6和表7分别为数据拟合后的参数及MI结果．初始压力为0.1MPa，当量比为1.0时，纯氨气MI与当量比为0.8时类似，都在100mJ以上，而掺混比为10%时，MI能降低75%，继续增大掺氢比至20%，MI的降低幅度已减小到了37%，这与两种初始压力下的、当量比为0.8的混合气变化规律相似．

但当压力增大为0.2MPa时，纯氨气的MI降低为70.54mJ，掺混比为10%和20%时，甚至降低至15.82mJ和10.06mJ，虽然随着掺氢比增加，MI降低的幅度与0.1MPa相似，但若从数值上看，增大混合气初始压力后，同一掺氢比的混合气MI能降低40%左右(例如纯氨气MI从116.01mJ降低至70.54mJ)，升高压力对MI的降低效果非常显著．如前所述，升高压力降低MI的原理在于增加了燃料消耗速率，进而增大了火核内部的温升速率，这种影响效果在当量比为0.8时表现得并不突出，但对于当量比为0.6和1.0的混合气却表现明显，所以虽然增加初始压力对于降低MI有影响，但不同当量比的混合气对压力变化的敏感程度并不相同，MI会受初始压力和当量比的共同影响，具体原因会在下一小节分析.

图10 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.1MPa，f＝1.0)

表6 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.1MPa，＝1.0)

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

表7 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.2MPa，＝1.0)

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

图12和图13分别是在初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，当量比＝1.2，不同掺氢比混合气的点火成功率与点火能量的变化关系，表8和表9分别为图12和图13中的数据拟合后的参数及MI结果．可以看出，不同初始压力下，各个掺氢比的混合气MI都比当量比为0.8和1.0的混合气要更大，其中压力为0.1MPa时，纯氨气的MI高达175.64mJ，掺混比为20%时MI也有25.44mJ，已经高于相同压力下当量比为0.8、10%掺氢比的工况(22.40mJ)，而且掺氢比从0至10%，其MI降低幅度仅有70%，与当量比为0.6的工况类似，均低于上述两种当量比工况．

图12 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.1MPa，f＝1.2)

图13 不同掺氢比混合气的点火成功率(p＝0.2MPa，f＝1.2)

表8 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.1MPa，＝1.2)

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

表9 不同掺氢比的MI及拟合参数(＝0.2MPa，＝1.2)

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

由此可见，较浓的混合气MI相对更高，且掺混氢气后MI的降低效果也更弱；此外，升高初始压力后，尽管纯氨气的MI从175.64mJ下降至146.62mJ，但由于其本身数值较大，降低后的值依然较高，降低幅度仅为16%，变化并不如上述当量比1.0的混合气明显；掺混氢气后的变化与当量比为0.8的混合气相似，所以与较稀的混合气一样，较浓混合气的MI对压力变化的敏感性也不高，但当量比过低的混合气(＝0.6)比较特殊，此时压力的影响更多体现在氢气部分．

3.2 当量比的影响

将各个工况点的MI单独提取出来，见图14，分别是在初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，不同当量比和不同掺氢比混合气的MI变化情况．从图14可以看出，在初始压力为0.1MPa时，混合气的MI随当量比增加先降低再升高，当量比为0.8时，MI最小，这与之前的研究一致[18]；当增大初始压力至0.2MPa时，之前的分析和结果已经表明，相同工况的MI会因燃料消耗速率加快而降低，但从图14可以看出，此时各掺氢比混合气的MI最小值出现在当量比为1.0处，也即压力增加时，不同当量比混合气的MI降低程度不同，但整体趋势均为“U”型曲线．

当量比对点火的影响主要体现在分子数密度上，激光点火的机制在于瞬间产生的高能量密度光斑使混合气分子发生电子雪崩，形成大量等离子体，电子雪崩的产生是由于各粒子的不断碰撞并交换能量.当量比较低时，各粒子间碰撞的频率减小，要形成电子雪崩则需要加大入射能量，为初始的带电粒子提供更多的能量；而当量比较高时，虽然粒子数密度增加，但由于混合气加浓，为了维持火焰发展则需要更多的自由基，因此也需要提供更大的入射能量[19]，所以MI关于当量比变化的曲线通常会呈“U”型[20-21]．

此外，当量比为0.6的混合气在改变初始压力时，其MI降低非常明显，这是因为其分子数密度过低，已经处于氨气的可燃极限，所以增大压力更多地体现在对氢气部分的影响上，因为对于纯氨气工况，即使增大压力依然不能成功点火．尽管MI出现极大降低，但其结果依然高于当量比为0.8的混合气，这并不会改变MI随当量比变化的整体趋势，但是提高掺氢比能减小两者之间的差距．

由于当量比对MI的影响是非线性的，增加初始压力会导致MI降低，所以这两种因素综合起来对NH3/H2混合气的影响结果就如图14所示，在常压下(0.1MPa)，“U”型曲线的最低点会出现在偏稀一侧，而增加初始压力会使最低点向较浓一侧移动，更多改变压力的情况还有待进一步的研究．

（a）＝0.1MPa

（b）＝0.2MPa

图14 不同当量比和掺氢比混合气的最小点火能量

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

4 结 论

本文基于定容燃烧弹平台，对不同工况下的NH3/H2预混合气进行了激光点火实验，研究了火焰发展状况和最小点火能量随不同工况的改变情况，其结果对于研究NH3/H2燃料在实际应用中的点火及燃烧过程有一定的参考价值，主要结论如下：

(1)NH3/H2混合气的激光点火火焰发展会受浮力影响，上半部分火焰相较于下半部分发展会更快，掺混H2能减小这种影响，混合气的H2掺混比越高则受浮力的影响越小．

(2)混合气的初始压力升高会增大分子间碰撞的几率，对等离子体的大量形成有促进作用，而且会使燃料在火核阶段的消耗速率加快，能降低MI；但改变压力对不同当量比混合气的MI影响不同，其结果受初始压力和当量比的共同影响．

(3)纯氨气的MI非常高，掺混H2后能极大地减小MI并拓宽氨气的可燃使用范围；H2掺混比为10%时降低效果最明显，继续提高掺混比，MI的降低幅度逐渐减小．

(4)在不同初始压力下，混合气的MI随当量比的变化规律不同，会呈现出非单调的“U”型变化，MI最低点所对应的当量比会随混合气初始压力的变化而改变，提高初始压力，最低点会向较浓一侧移动.

［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］ 张 驰，钟北京，郑 东. 正庚烷/空气混合气最小点火能量及其影响因素[J]. 航空动力学报，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．

国家自然科学基金资助项目(52176131).

张俊杰(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.

(责任编辑：梁 霞)