《航空燃料擴散火焰碳煙生成機理和現象學模型研究》是依託北京航空航天大學，由惠鑫擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：航空燃料擴散火焰碳煙生成機理和現象學模型研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：惠鑫
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳煙作為碳排放和顆粒物污染物對大氣環境、人體健康、以及發動機的性能和壽命都有著嚴重的危害。為抑制碳煙的生成排放，首先需要對碳煙的生成機理有全面深入的認識。然而，碳煙複雜的生成過程限制了人們對其生成機理的進一步認識。隨著雷射測量技術的不斷進步，針對碳煙機理的研究已經成為了國內外燃燒學界關注的熱點。因此，本申請項目擬針對航空燃料，在層流對沖擴散火焰中採用雷射測量法LII和PLIF，研究碳煙及其主要前驅物C2H2和多環芳香烴在火焰中的生成規律，進一步揭示碳煙生成的主要過程和路徑。此外，在實驗的基礎上研究還將構建針對航空燃料的碳煙現象學模型；模型將通過多步反應來模擬碳煙生成的主要步驟，構建後的模型將具有較高的預測精度和較廣的適用範圍。
結題摘要
碳煙作為碳排放和顆粒物污染物對大氣環境、人體健康、以及發動機的性能和壽命都有著嚴重的危害。本項目針對本項目的主要研究內容為在對沖擴散火焰中利用雷射誘導白熾光法、消光法、PLIF等光學診斷方法測量了替代航空燃料與傳統航空燃料的碳煙體積分數、前驅物生成以及OH分布，並採用氣溶膠法測量了燃燒室出口碳煙顆粒尺寸分布特徵。研究通過構建碳煙模型模擬了火焰中前驅物增長、碳煙顆粒成核、表面增長、碰撞凝並，以及氧化等碳煙生成的主要過程，分析了碳煙生成的動力學特性。研究結果表明發現替代航空燃料由於缺乏芳香烴組分，其燃燒生成的碳煙體積分數遠遠小於傳統航空燃料燃燒生成的碳煙體積分數；碳煙的生成隨著火焰流場強度的增加和反應物濃度的降低呈現出降低的趨勢，其中替代航空燃料碳煙生成的變化速度要顯著快於傳統航空燃料的變化速度。研究同時發現，所測燃料的碳煙生成順序與燃料冒煙數順序一致。但是，採用冒煙數作為參數只能較好地擬合傳統航空燃料的碳煙生成特性，對於替代航空燃料，採用冒煙數以及氫含量作為參數的擬合均無法準確地預測替代航空燃料的碳煙生成。這主要是由於替代航空燃料組分中的直鏈烷烴、支鏈烷烴、環烷烴具有相似的碳氫比，而它們的碳煙生成特性差異較大。研究通過對燃燒室出口碳煙顆粒物測量發現，燃燒室出口碳煙顆粒分布顆粒尺寸分布呈現出雙峰模式，分別對應成核模式和集聚模式，隨著當量比的升高，當頭部當量比增加到1.25-1.35的範圍，顆粒尺寸分布的主導模式從成核模式轉變為集聚模式，進一步增加頭部當量比超過1.5，成核模式增強並且顆粒尺寸分布轉移到較小的直徑區間；隨著工況壓力的升高，顆粒物排放中的小尺寸顆粒數目濃度顯著升高並且顆粒物幾何平均直徑減小，原因是升高壓力下多環芳香烴（PAH）分子的碰撞率增加，增強了成核速率從而產生了更高的基元顆粒濃度，另外在表面增長過程中發揮重要作用的氫基團在高壓力下受到抑制，使得表面增長過程變弱，導致更小的顆粒尺寸。
