Abstract Ammonia is a suitable carbon‐free alternative fuel for power equipment. Direct combustion of liquid ammonia has the potential to reduce system costs and heat loss of gas turbine (GT). However, its tendency to flash and the high latent heat of vaporization can lead to combustion deterioration. Previous research suggests that stabilizing a liquid ammonia flame requires swirling and preheated air. So far, the influence mechanism of preheated air on liquid ammonia swirl spray remains inadequately explored. To fill this research gap, this study conducted a large eddy simulation (LES) to investigate the effect of preheated air temperature () on a liquid ammonia flash spray in a swirl combustor. The influence of on the spray morphology and the axial velocity, diameter, and temperature distributions of the droplets were investigated to understand the spray characteristics. Besides, the effects of on the evaporation characteristics, the properties, and the possible ignition performance of the mixture were studied. The results show that with the increase of , the heating capacity of air is enhanced, leading to a greater proportion of droplets reaching flash boiling conditions. This greatly optimizes the evaporation process, resulting in more complete evaporation and significantly smaller volume. The bulk air flow velocity is increased, causing the expansion of the inner recirculation zone (IRZ), and the gaseous temperature and mixture concentration distribution are optimized. In addition, the low gaseous ammonia concentration makes ignition difficulty at = 300 K. The high value ( is the shear stress) and large inner recirculation zone area lead to a larger and a smaller at = 300 K compared to the case of = 500 K.

As a zero-carbon fuel with superior properties, ammonia has attracted much attention from the combustion industry in recent years. In ammonia combustion for gas turbines (GTs), direct combustion of liquid ammonia (LNH3) is considered a way to increase power, simplify the system, and reduce energy consumption. However, due to the low boiling point and high vaporization latent heat of ammonia, LNH3 is prone to flash boiling under GT conditions, leading to significant changes in its spray characteristics. The current understanding of such a special spray is still insufficient. In this paper, particle droplet image analysis, Mie scattering, and thermocouple temperature measurement were conducted for continuous flash LNH3 spray in normal pressure. Furthermore, large eddy simulation was carried out. The quantitative characterization and detailed study of its spray morphology, parameter distribution, mass transfer, and heat transfer process were investigated. Combining this with the evaporation process, the formation reason for its spray morphology was explained, and suggestions for optimizing the combustion organization of the flash boiling spray were given. The results show that the spray angle θ decreases rapidly from 86° to about 10°, the spray SMD is 16 μm and the diameter spatial distribution is uniform. The spray temperature is 238.1 K at the nozzle exit, which is lower than the boiling point (239.8 K), and subsequently drops to approximately 209 K downstream the spray. The bubble behavior inside the nozzle and the gas diffusion in the near field of spray led to the expansion of near-field spray, and further changed the nozzle characteristics. The spray can be divided into three regions: Spray-core-region, Spray-main-region, and Spray-edge. The extremely high concentration of gaseous ammonia in Spray-core-region significantly deteriorates evaporation. The difference of droplet velocity and evaporation ability between Spray-main-region and Spray-edge leads to the formation of “willow leaf” shaped spray.