航空燃料扩散火焰碳烟生成机理和现象学模型研究

Soot as carbon emission and particulate pollution poses a great threat to global climate, public health, and engine performance and life. And it has adverse effects on jet engine efficiency and its lifetime. In the design of next generation jet engines, soot emission is one of primary targets that needs be reduced through advanced combustion technologies and reliable soot modelling in the jet engine combustor. To achieve this goal, it is imperative to have a comprehensive understanding of soot formation process in the flame as well as to develop robust soot models for accurate soot predictions in the flame environment. To this end, this proposed research plans to study the soot formation and oxidation processes in counterflow diffusion jet fuel flames. Laser diagnostics including LII and PLIF will be applied to measure the soot inception limit, soot volume fraction, precursors of C2H2 and PAHs, and OH radical. The experimental data will be further analyzed to aid in the development of soot multi-step phenomenological model that is not only able to predict soot emissions but also important soot forming processes such as precursor formation, soot inception, surface growth, agglomeration, and oxidation.

碳烟作为碳排放和颗粒物污染物对大气环境、人体健康、以及发动机的性能和寿命都有着严重的危害。为抑制碳烟的生成排放，首先需要对碳烟的生成机理有全面深入的认识。然而，碳烟复杂的生成过程限制了人们对其生成机理的进一步认识。随着激光测量技术的不断进步，针对碳烟机理的研究已经成为了国内外燃烧学界关注的热点。因此，本申请项目拟针对航空燃料，在层流对冲扩散火焰中采用激光测量法LII和PLIF，研究碳烟及其主要前驱物C2H2和多环芳香烃在火焰中的生成规律，进一步揭示碳烟生成的主要过程和路径。此外，在实验的基础上研究还将构建针对航空燃料的碳烟现象学模型；模型将通过多步反应来模拟碳烟生成的主要步骤，构建后的模型将具有较高的预测精度和较广的适用范围。

碳烟作为碳排放和颗粒物污染物对大气环境、人体健康、以及发动机的性能和寿命都有着严重的危害。本项目针对本项目的主要研究内容为在对冲扩散火焰中利用激光诱导白炽光法、消光法、PLIF等光学诊断方法测量了替代航空燃料与传统航空燃料的碳烟体积分数、前驱物生成以及OH分布，并采用气溶胶法测量了燃烧室出口碳烟颗粒尺寸分布特征。研究通过构建碳烟模型模拟了火焰中前驱物增长、碳烟颗粒成核、表面增长、碰撞凝并，以及氧化等碳烟生成的主要过程，分析了碳烟生成的动力学特性。研究结果表明发现替代航空燃料由于缺乏芳香烃组分，其燃烧生成的碳烟体积分数远远小于传统航空燃料燃烧生成的碳烟体积分数；碳烟的生成随着火焰流场强度的增加和反应物浓度的降低呈现出降低的趋势，其中替代航空燃料碳烟生成的变化速度要显著快于传统航空燃料的变化速度。研究同时发现，所测燃料的碳烟生成顺序与燃料冒烟数顺序一致。但是，采用冒烟数作为参数只能较好地拟合传统航空燃料的碳烟生成特性，对于替代航空燃料，采用冒烟数以及氢含量作为参数的拟合均无法准确地预测替代航空燃料的碳烟生成。这主要是由于替代航空燃料组分中的直链烷烃、支链烷烃、环烷烃具有相似的碳氢比，而它们的碳烟生成特性差异较大。研究通过对燃烧室出口碳烟颗粒物测量发现，燃烧室出口碳烟颗粒分布颗粒尺寸分布呈现出双峰模式，分别对应成核模式和集聚模式，随着当量比的升高，当头部当量比增加到1.25-1.35的范围，颗粒尺寸分布的主导模式从成核模式转变为集聚模式，进一步增加头部当量比超过1.5，成核模式增强并且颗粒尺寸分布转移到较小的直径区间；随着工况压力的升高，颗粒物排放中的小尺寸颗粒数目浓度显著升高并且颗粒物几何平均直径减小，原因是升高压力下多环芳香烃（PAH）分子的碰撞率增加，增强了成核速率从而产生了更高的基元颗粒浓度，另外在表面增长过程中发挥重要作用的氢基团在高压力下受到抑制，使得表面增长过程变弱，导致更小的颗粒尺寸。