在当今的能源和交通行业中，喷雾和燃烧是我们最依赖的核心技术之一。从内燃机到燃气轮机再到燃烧器，更好地理解驱动这些设备的基本物理过程，可以帮助我们在未来使它们更高效、更可持续的运转。

马萨诸塞大学洛厄尔分校的Noah Van Dam教授的多相流和反应流实验室致力于通过计算流体动力学（CFD）技术来研究和表征这些过程。Van Dam教授自本科时期就开始接触CFD，在阿贡国家实验室的博士后研究中接触到了CONVERGE。当时他专注于燃料特性对发动机性能的影响。当他开始在UMass Lowell建立自己的实验室时，继续使用CONVERGE，并通过CONVERGE学术计划获得许可、培训和支持。

Van Dam教授带到UMassLowell实验室的不仅仅是CONVERGE——他还继续进行喷雾和燃烧建模的研究。2020年，Aman Kumar作为研究生研究助理加入Van Dam教授的实验室，开始对Engine Combustion Network（ECN）的G型喷嘴进行详细的数值研究。他感兴趣的是了解喷射器几何形状和喷雾羽流位置如何影响下游条件和整体发动机性能。

Aman说：“我专注于基础研究，因为一切从燃料喷射开始，混合物是如何形成的。如果混合物是均匀的，燃料-空气混合物将在较低的燃烧温度下燃烧，发动机将产生较少的NOx、碳烟和颗粒物排放。”

图1：CONVERGE预测G型喷嘴的气相

贯穿距（左）和液相贯穿距（右）与实验对比

（注：roi = 喷油规律；1w = 单向耦合；flat =喷嘴尖端为平面；inj = 喷嘴尖端为反倒角；co = 反镗出口粒子初始化；no = 喷嘴出口粒子初始化。）

在他的研究中，Aman测试了RANS和大涡模拟（LES）两种湍流模型[1,2]。他比较了各种参数，包括是否在缸盖结构中考虑喷嘴尖端几何形状、在喷嘴反镗出口与喷嘴出口初始化粒子、使用实验得出的喷油规律与从喷嘴内流计算得到液相体积分数（VOF）结果中读取喷嘴流动参数，以及使用标称喷嘴形状与X射线扫描的喷嘴几何形状。他将喷雾贯穿距和其他全局参数与实验数据进行了比较。图1显示了八种RANS模拟案例与实验数据的气相和液相贯穿距对比图。不同案例导致的穿透长度略有不同，CONVERGE模拟与实验数据吻合得很好。

图2显示了RANS和LES案例的液体体积分数投影比较。虽然RANS模拟捕捉到了全局喷雾行为，但LES模拟能更好地捕捉局部湍流流动特征。

图2：使用VOF-spray单向耦合质量流量、

平顶喷嘴和反镗出口初始化位置的RANS和LES模拟

G型喷嘴液相体积分数投影图。

在完成G型喷嘴研究后，Aman和Van Dam教授将注意力转向了替代燃料，特别是氨。

Van Dam教授解释说：“我们的未来能源需求需要朝着减少我们从交通和其他能源系统排放的净温室气体的方向发展。氨等替代燃料的应用被提出来，而且它看起来越来越像是一个值得研究和并可带来量产收益的的途径。”

然而，氨的性质与传统烃类燃料有很大不同。例如，在大多数发动机操作条件下，液态氨喷雾更容易发生闪沸，这可能需要新的喷射策略。Aman使用CONVERGE研究当前喷雾模型如何捕捉液态氨的喷雾行为[3]。

他使用了RANS湍流模型与两种不同的模拟方法：VOF方法用于模拟喷嘴内流，拉格朗日-欧拉（LE）粒子追踪法用于模拟后续喷雾行为。对于LE模拟，Aman还测试了两种不同的喷雾粒子初始化方法：基于喷嘴内模拟结果的单向耦合法和给定喷射规律（ROI）方法。

图3比较了不同压力比下使用喷嘴内VOF方法模拟的液氨喷雾的实验图像和模拟图像。CONVERGE能够捕捉到喷雾射流在较高压力比下开始发生闪沸时的射流变宽的现象。

图3：不同压力比下实测液氨喷雾图像（左）

和喷嘴内VOF模拟的氨液体质量分数云图（右）。

Aman发现，在非闪沸情况下，两种LE建模框架很好地捕捉了液相贯穿距长度，而在闪沸情况下，VOF喷嘴内流方法表现最好。在喷嘴出口反镗几何形状内产生了大量的氨蒸气，这在CFD模拟中很容易看到，但在实验中很难捕捉到。他和他的实验室正在继续对液氨喷雾进行研究，并致力于进一步改进现有的喷雾模型，以稳健地捕捉液氨的闪沸行为。

如前所述，燃料喷射只是一个故事的开始。继续向下游发展，Van Dam教授还研究了替代燃料的燃烧。在这项研究中，Van Dam教授与包括纽约州立大学石溪分校的Dimitris Assanis教授在内的其他研究人员合作，目标是更好地理解氨/氢燃烧。

作为可燃性燃料，氨和氢都存在一些挑战。氨难以点燃且火焰速度很低，而氢则非常活跃且燃烧速度很快。

Van Dam教授说：“通过混合氢和氨，我们可以缓解每种单独燃料的一些问题，并创造出一种更接近我们当前使用的烃类燃料的混合燃料。我们对烃类燃料有很多经验，因此我们设计燃烧类似特性燃料的发动机要容易得多。”

在他们的合作研究中[4]，UMass Lowell和石溪分校的研究人员首先测试了几种不同的氨/空气和氨/氢/空气燃烧的化学动力学机理，以确定哪种机理最符合层流火焰速度和点火延迟的实验数据。然后，他们采用表现最好的机理，在CONVERGE中运行3D CFD模拟，以研究燃烧特性。图4显示了不同当量比下Schlieren的实验和CFD计算的氨/空气火焰的图像比较。每个时间步的仿真结果都显示出与实验相似的火焰形状。

图4：不同当量比下实验和CONVERGE

预测的氨/空气火焰图像对比。

研究人员发现，与氨/空气燃烧相比，氨/氢/空气燃烧的火焰更快，对火花塞点火的依赖性较小，并且没有浮起效应。他们得出结论，氨/氢混合物展示了互补的燃烧特性，这可能促进发动机的性能提升。

UMass Lowell和石溪分销的研究小组继续对氨燃烧进行研究，您可以在2024年ICE Forward会议上看到他们的论文[5]。

替代燃料并不是Van Dam教授实验室研究的唯一前沿技术。他们还在帮助开发下一代无人水面舰艇的可靠推进系统。在与美国海军研究办公室的合作项目中，Van Dam教授的研究小组正在研究在海洋环境中运行的燃烧器如何受到吸入的含盐空气的影响。

本科生研究员Colin Wildman在2022年加入Van Dam教授的实验室时开始了这个项目。该项目的第一步是测试不同的柴油燃料替代品在旋流燃烧器中的表现，以确定哪种能最准确地表征实验中的火焰形状和排放。使用SAGE详细化学求解器和LES湍流模型，Colin测试了五种不同的柴油燃料替代品（替代品A、替代品B、T15、T15 + CH5和T20）[6]。他还测试了一种计算更高效的RANS湍流模型，使用替代品A，以查看是否能在更短的时间内获得合理的结果。

图5展示了他们测试的不同替代品所产生的火焰的温度云图。RANS模型产生的火焰形状更平滑、更接近圆柱形，而LES模拟则更准确地捕捉到了复杂的火焰结构。因此，他们决定继续使用柴油替代品A进行LES建模。该项目的下一步是将盐引入火焰中，以观察其对燃烧和排放产生的影响。

图5：不同柴油替代燃料的选咯i燃烧器火焰的温度云图

[1]Kumar, A. and Van Dam, N., “Study of Injector Geometry and Parcel InjectionLocation on Spray Simulation of the Engine Combustion Network Spray GInjector,”Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,145(7), 2023. DOI: 10.1115/1.4062414

[2]Kumar, A., Boussom, J.A., and Van Dam, N., “Large-Eddy Simulation Study ofInjector Geometry and Parcel Injection Location on Spray Simulation of theEngine Combustion Network Spray G Injector,”Journal of Engineering forGas Turbines and Power, 146(8), 2024. DOI: 10.1115/1.4063957

[3]Kumar, A. and Van Dam, N., “Liquid Ammonia Sprays for EngineApplications,”ILASS-Americas 34th Annual Conference on LiquidAtomization and Spray Systems, Ithaca, NY, United States, May 19–22, 2024.

[4]Shaalan, A., Nasim, M.N., Mack, J.H., Van Dam, N., and Assanis, D.,“Understanding Ammonia/Hydrogen Fuel Combustion Modeling in a QuiescentEnvironment,”ASME 2022 ICE Forward Conference, ICEF2022-91185,Indianapolis, IN, United States, Oct 16–19, 2023. DOI: 10.1115/ICEF2022-91185

[5]Mathai, J.R., Rana, S., Shaalan, A., Nasim, M.N., Trelles, J.P., Mack, J.H.,Assanis, D., and Van Dam, N., “Numerical Study of Buoyancy and FlameCharacteristics of Ammonia-Air Flames,”2024 ASME ICE ForwardConference, ICEF2024-141569, San Antonio, TX, United States, Oct 20–23,2024. (Forthcoming)
[6] Wildman, C., Fernandez, J., and Van Dam, N., “Low-Pressure Swirl Burner forMarine Propulsion Applications,” 2023 CONVERGE CFD Conference,Online, Sep 26–28, 2023.