煤基合成喷气燃料的代用组分构建及其燃烧性质分析

Coal-derived synthetic jet fuel is one of the focus in the developing aviation alternative fuels at present. To evaluate its influence on the performance of aero-engine combustor, it is essential to develop the combustion chemical kinetic model of the fuel, depending on the surrogate components formulation as a chief premiss. From the stand point of spray combustion demands, a methodology for jet fuel surrogate formulation will be developed on the base of chemical composition, physical-chemical properties and combustion properties, through buliding up the associated network model of the target properties of hydrocarbon mixtures and adopting the multi-target correlative optimization strategy. Then the coal-derived synthetic jet fuel surrogate can be formulated by the methodology. Furthermore, as one key step for surrogate development the expeimental validation is necessary, thus the gaseous pollutants formation in high temperature (>1200K) combustion reaction for the surrogate and real fuel will be measured experimentally using a jet-stirred combustion reactor (JSCR). The experimental comparison of the surrogate combustion properties and real fuel combustion properties could verify the validity and fidelity for the surrogate model. The research results are useful to develop the chemical reaction mechanism, atomization and evaporation models and high fidelity combustion numerical simulation, which could support the advanced combustor design for aero-engine. Additionally, this reaearch would provide an important reference to the property prediction and composition design of the future aviation jet fuel.

煤基合成喷气燃料是现阶段国内外重点发展的一种航空替代燃料，为了评估其对航空发动机燃烧室性能的影响，需要发展该燃料的燃烧化学动力学模型，而构建代用组分是发展动力学模型的首要前提。本项目从液雾燃烧要求角度出发，基于化学组分、理化性质及燃烧性质，通过建立混合碳氢燃料的目标性质相互关联网络模型，利用多目标关联优化策略，发展喷气燃料代用组分的构建方法，并以此构建煤基合成喷气燃料的代用组分。同时，实验验证是发展代用组分的关键环节，将采用射流搅拌燃烧反应器（JSCR）对代用组分与真实燃料的高温（>1200K）燃烧反应气态污染物生成进行实验测量，对比代用组分燃烧性质与真实燃料的差异，以验证代用组分模型的有效性和准确性。研究成果将用于发展化学反应机理、雾化蒸发模型及高保真燃烧数值模拟技术，从而支持我国航空发动机先进燃烧室的设计，也可为未来航空喷气燃料的性能预测和组分设计提供重要参考。

煤基合成喷气燃料以费托合成为基础，属于煤炭清洁高效利用技术，可以改变以往我国对煤炭资源的粗放利用方式，鉴于其经济性和环保性，成为了当前国内外航空能源的研究热点。为了评估其对航空发动机燃烧室性能的影响，需要发展该燃料的燃烧化学动力学模型，而构建简单的代用组分是发展动力学模型的首要前提。从液雾燃烧角度出发，考虑化学组分、理化性质及燃烧性质等因素，对煤基合成喷气燃料的目标性质相互关联分析、代用组分构建及目标性质预测以及代用组分燃烧性质实验及分析开展研究，提出了基于显式函数和隐式神经网络混合模型的喷气燃料代用组分构建方法，解决了大分子碳氢混合燃料中多组分/多目标性质的关联和寻优难题。最终以氢碳比、摩尔质量、低热值、密度、粘度、表面张力和蒸馏曲线等作为目标性质，构建了包含5种碳氢化合物的煤基合成喷气燃料代用组分模型（摩尔分数2.6%正癸烷、60.3%正十二烷、22.9%正十四烷、11.7%异辛烷和2.5%甲基环己烷）。并采用射流搅拌燃烧反应器（JSCR）对煤基合成喷气燃料及其代用组分的高温燃烧反应气态污染物进行了对比验证，该代用组分模型对复杂真实燃料具有较好的模拟能力。研究成果将用于发展航空喷气燃料化学反应机理、雾化蒸发模型及高保真燃烧数值模拟技术，实现对替代喷气燃料的性能预测和组分设计，为低碳、低氮、低碳烟的低排放航空发动机燃烧技术提供理论支持。