小尺度乙醇/生物柴油掺混燃料荷电喷雾对冲冷焰及热焰结构和燃烧特性

Biodiesel has excellent cool flame chemistry. However, it has high viscosity, high boiling point, low electrical conductivity, and thus is difficult to be fully atomized and completely combusted in a small scale combustor. Thus, the appropriate blend of ethanol, which has lower viscosity, lower boiling point, and higher electrical conductivity, into biodiesel may change the physical and chemical properties, spray formation, evaporation and combustion properties. Unfortunately, few studies have been carried for ethanol/biodiesel dual fuel cool flame and hot flame combustion base on electrospray technique. In this study, a novel small-scale combustor with counter-flow flame will be designed for ethanol/biodiesel duel fuels, which have different viscosities, different boiling points, different electrical conductivities and different low and high temperature chemical properties. The electrospray mechanism and the transition law of different spray modes of the blended fuel will be investigated. Furthermore, the low temperature cool flame and high temperature hot flame structures, ignition temperature, extinguishment limit, and soot generation characteristics all will be studied. Combining with theoretical analysis and numerical simulation, a rational model of blended fuel reaction mechanism will be obtained. The model will be applied to calculate the small-scale combustion characteristics under the effect of external electric field. The different influence factors on cool flame and hot flame structures, low temperature combustion and high temperature combustion characteristics will be identified. The present study may promote the interaction and development of multi-disciplinary fields, including micro-scale combustion, electrology and electrospray multiphase flow.

生物柴油具有极好的低温冷焰化学特性，但其粘度高、沸点高、电导率低，在小尺度下难以充分雾化和完全燃烧。为此，本项目采用适量比例掺混乙醇，以改变生物柴油的理化特性、雾化特性、蒸发特性及燃烧特性。设计新型结构小尺度对冲火焰燃烧器，实验研究乙醇/生物柴油这两种不同粘度、不同沸点、不同低温和高温化学特性的掺混燃料荷电雾化的形成机理，不同喷雾模式之间的转变规律，以及在小尺度下掺混燃料液雾燃烧的低温冷焰和高温热焰结构形态、着火温度、熄灭极限和碳烟生成特性。结合理论分析与数值模拟，获得合理的掺混燃料反应机理模型，构建外加电场和小尺度条件下适用的燃烧计算模型，探讨不同因素对冷焰及热焰结构、低温和高温燃烧特性的影响规律。本项目可促进微小尺度燃烧学、电学、荷电喷雾多相流等多学科领域交叉与发展。

生物柴油具有极好的低温冷焰化学特性，但其粘度高、沸点高、电导率低，在小尺度下难以充分雾化和完全燃烧。为此，本项目采用适量比例掺混乙醇，以改变生物柴油的理化特性、雾化特性、蒸发特性及燃烧特性。. 设计新型结构小尺度对冲火焰燃烧器，实验研究乙醇/生物柴油燃料液滴在电场中的形变特性，揭示了液滴与环境之间的粘度比对液滴形变的动态影响，得到了液滴形变模式在无量纲参数图谱下分布规律。提出了一种预测荷电喷雾锥射流形成的新模型，提高了液锥外形及雾化电流的预测精度。开展了乙醇/生物柴油液滴的荷电与破碎特性分析，理论计算了各种不同配比的乙醇/生物柴油掺混燃料的荷电性能，推导出带电液滴破碎的判别条件，并实验验证了燃料液滴破碎时静电韦伯数的临界值。开展了小尺度乙醇/生物柴油掺混燃料荷电雾化与燃烧特性实验研究，得到了不同掺混比例的乙醇/生物柴油掺混燃料的荷电喷雾图像和模式。基于PDA测试结果，液滴的平均直径随乙醇掺混比例的提高而减小，火焰结构总体从扩散火焰向部分预混火焰变化，火焰高度减小，火焰中碳黑粒子的生成量降低，扩大了掺混燃料的稳定燃烧极限。开展了生物柴油的化学反应动力学实验研究，构建了生物柴油化学反应机理模型，准确地预测低温燃烧阶段CO2的生成规律。构建了生物柴油燃烧骨架反应机理，分析了臭氧对生物柴油HCCI发动机两阶段点火的影响规律。开展了掺混燃料夺氢反应的敏感性分析，阐明了促进点火的主导机制。. 项目实施期间，以第一/通讯作者发表SCI国际期刊论文26篇（其中本项目第一标注13篇，编辑精选亮点论文1篇，ESI高引论文3篇，nature子刊1篇，特邀论文1篇），EI期刊论文8篇（其中本项目第一标注7篇，封面论文1篇），申请发明专利6项，授权美国专利1项，授权中国发明专利1项、实用新型专利4项。项目负责人获2020年度广东省杰出青年基金资助，作学术会议keynote/邀请报告5次，任分会主席2次。培养出站博士后1名，毕业博士生2名，毕业硕士生5名。