超临界氛围下碳氢燃料单液滴蒸发和燃烧的实验及机理研究

The basic laws and mechanisms of the spray combustion under extreme conditions are the current advanced subject of the international combustion research. The spray combustion is the statistical sum of a large number of droplets evaporation and combustion in essence, in-depth understanding of the single droplet evaporation and combustion is a necessary prerequisite for the spray combustion research. The objective of this research is to investigate the evaporation and combustion of the single hydrocarbon fuel droplet under supercritical atmosphere conditions. The preliminary research results shows that, the transcritical transition in the supercritical atmosphere on the droplet surface is a key factor leading to its physical nature rather than the difference from the subcritical atmosphere. The research contents includes: the high-speed photography, Mie / Rayleigh scattering, laser-induced fluorescence and other visualization techniques will be used to investigate the spatial distribution of the mixture and high / low temperature combustion reaction rate, transcritical transition time, ignition delay, and burning rate, etc in a combustion bomb. On this basis, a droplet simulation model that can correctly describe the transcritical transition phenomenon is built up. Before and after the transcritical transition on droplet surface mixture formation dynamics mechanisms and key controls factors have been elucidated , coupling mechanisms between heat and mass transfer and the combustion chemical reactions is revealed by experiment and numerical simulation, for the control of spray combustion process under supercritical atmosphere is provided the theoretical basis.

极端条件下的喷雾燃烧基本规律及其调控机制是目前国际燃烧领域的前沿性课题，喷雾燃烧本质上是大量液滴蒸发和燃烧的统计总和，深入理解单液滴的蒸发和燃烧是研究喷雾燃烧的必要前提。本课题以碳氢燃料单液滴为研究对象，针对其在超临界氛围下的蒸发和燃烧开展研究。前期研究工作表明，超临界氛围下液滴表面发生跨临界迁移是导致其物理本质区别于亚临界氛围的关键因素。具体研究内容包括：基于定容燃烧弹，利用高速摄影、Mie/Rayleigh散射、激光诱导荧光等可视化测试手段，获得混合气浓度空间分布、高/低温燃烧反应速率空间分布、跨临界迁移时刻、着火时刻、燃烧速率等实验数据，在此基础上提出一个能够正确描述跨临界迁移现象的液滴计算模型，并结合数值模拟，阐明液滴表面跨临界迁移前、后混合气形成的动力学机制及关键控制因素，揭示传热、传质等输运过程与燃烧化学反应之间的耦合作用机理，以期为超临界氛围下喷雾燃烧过程的组织提供理论基础。

石油系碳氢燃料在各类能源中占据主导地位，其主要应用方向之一就是以喷雾燃烧方式释放能量。在喷雾燃烧中，燃料液滴的蒸发和燃烧是喷雾燃烧的基础。直喷内燃机，燃气轮机，液体火箭发动机等动力机械燃烧室内燃料喷雾的蒸发和燃烧通常都是在超临界氛围下进行。但目前几乎所有喷雾燃烧模型中液滴蒸发和燃烧过程都是以常压经验为基础建立的，在用于高压（接近或超过燃料的临界压力）时将产生较大误差。因此，开展超临界氛围下碳氢燃料液滴蒸发和燃烧特性研究是非常必要的。.本项目基于实际气体状态方程建立了适用于超临界氛围下与碳氢燃料蒸发和燃烧相关的流体物理性质计算方法，并通过与实验数据对比验证了计算方法的有效性，解决了超临界氛围下流体物性值匮乏的问题，同时为超临界氛围下碳氢燃料液滴蒸发和燃烧特性研究提供了必要条件；对液滴表面达到临界状态并不会使液滴瞬时蒸发完毕这一物理现象从理论上给予了全新的解释，采用同一质量守恒方程、组分守恒方程及能量守恒方程描述了液滴蒸发和燃烧过程中气相和液相的物理过程，实现了气相到液相大密度范围内物理过程的统一描述；将高压汽液相平衡、混合物临界点以及蒸发焓的概念引入到液滴表面的传热传质过程中，并对液滴表面迁移前后的物理过程进行了详细描述；最终开发了一个新的适用于超临界氛围下且能够正确描述跨临界迁移现象的单液滴蒸发和燃烧计算模型、数值求解方法和计算程序，并通过与实验数据的对比验证了计算模型的有效性。从传热传质过程出发，阐明了超临界氛围下液滴表面发生迁移前后液滴蒸发与燃烧过程的物理控制因素，揭示了环境压力、环境温度以及液滴初始温度对液滴蒸发与燃烧特性产生影响的原因，基本掌握了超临界氛围下碳氢燃料液滴的蒸发与燃烧特性。从正态烷烃的物理化学特性出发，解释了超临界氛围下不同正态烷烃液滴蒸发与燃烧特性产生差异的原因，并总结出了随着正态烷烃碳原子个数的增多，正态烷烃液滴蒸发与燃烧特性的变化规律及作用机制。