基于固相萃取的航空煤油模型燃料构建及其碳烟生成与演化

Motivated by the key scientific issues of the NSFC Key Research Program “Fundamental Studies on Engine Related Turbulent Combustion”, this project conducts the oxidation and soot formation characteristics of single component of RP-3 jet fuel. It will be quite concerned on the fuel oxidation with extremely lean condition. Based on the solid phase extraction technology, multi-constraint equations and least square method, the multi-components surrogate of RP-3 jet fuel will be established. The soot formation, distribution and evolution of RP-3 jet fuel and its surrogate will be studied in an LPP gas turbine model combustor with Laser induced incandescence (LII) and thermophoretic sampling system (TSPD). The turbulent characteristics in LPP model combustor will be detected with high speed PIV system under different air flow velocity and swirl intensity. The most important work of this project is to reveal the effect of the complex relationship between flow velocity, turbulence intensity and fuel component on soot formation and evolution process. The research will enrich the combustion theory of aero engine and give a new insight for suppression of soot particle in combustion chamber of aero engine with complex turbulent-combustion interaction.

本项目依托“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划。针对RP-3典型组份开展单一燃料组份氧化与成烟特性研究，重点聚焦航空发动机在较高巡航高度下发生的极端稀薄条件下的燃料氧化机制；针对成分复杂的国产航空煤油RP-3，通过固相萃取技术、多约束方程和最小二乘法原理，构建可信的国产航空煤油RP-3模型燃料；进一步采用LII、TSPD等碳烟诊断技术，研究真实航空煤油及其模型燃料在LPP模型燃烧室旋流火焰中碳烟形成及演化特性。应用高速PIV技术在LPP模型燃烧室上研究不同来流马赫数、旋流强度，当量比下的湍流涡的几何特征，获得湍流涡几何特征与碳烟体积分数分布的关系图谱。揭示来流马赫数、湍流强度、燃料组份三者对对碳烟形成和演化影响的耦合作用关系。项目研究为有效控制航空发动机碳烟排放，阐明湍流-燃烧相互作用下的航空发动机碳烟生成具有重要的学术价值。

本项目依托“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划。针对RP-3典型组份开展单一燃料组份氧化与成烟特性研究，重点聚焦航空发动机在较高巡航高度下发生的极端稀薄条件下的燃料氧化机制；本文立足于目标燃料分子结构、理化特性以及实际动力装置中喷雾燃烧特性的最优匹配，提出了新型模型燃料构建方法—化学解构法。依据燃料特性，将复杂的目标燃料混合物分为具有特征的若干类，针对每类燃料单独构建子模型。航空煤油含有种类繁多的烷烃和芳烃成分。烷烃和芳烃分子内正负电荷重心不重合而导致分子具有极性，尤其是含有羰基、羟基等基团时燃料分子的极性较大。航空煤油燃料中含有较多的正构烷烃时极性较弱，含有较多的长碳链烷基苯等芳烃时分子极性较强。因此，分子极性可以作为航空煤油模型燃料构建过程中的分类标准；针对成分复杂的国产航空煤油RP-3，通过固相萃取技术、多约束方程和最小二乘法原理，构建可信的国产航空煤油RP-3模型燃料。验证性试验表明模型燃料可以较好地预测RP-3航空煤油的物理性质、氧化特性和着火特性。基于层级架构的思想，发展了航空煤油燃烧化学动力学详细机理。该机理可以较好地复现真实航空煤油的低温化学活性、高温氧化特性和不饱和烃的生成特性。并通过该动力学模型揭示了燃料氧化特性和着火特性的内在联系；进一步采用LII、TSPD等碳烟诊断技术，研究真实航空煤油及其模型燃料在层流预混火焰和射流火焰中碳烟形成及演化特性。应用高速PIV技术上研究不同来流马赫数、旋流强度，当量比下的湍流涡的几何特征。项目研究为有效控制航空发动机碳烟排放，阐明湍流-燃烧相互作用下的航空发动机碳烟生成具有重要的学术价值。