碳氢燃料/氧超临界燃烧层流扩散火焰结构及稳定性研究

The hydrocarbon fuel combustion problems of carbon deposit and combustion instability under extreme thermodynamic conditions in the development of advanced aerospace engines have become one of key scientific issues. At home and abroad, the fundamental research of hydrocarbon fuel/oxygen supercritical combustion is little. The research objective of the project is to explore the supercritical combustion characteristics of hydrocarbon fuel/oxygen laminar diffusion flow, the research on the flame structure and combustion stability under extreme thermal conditions is performed; combustion flame boundary characteristics, flame fine structure and morphological changes in the process are analyzed; the functional relationship between characteristic parameters of flame and combustion variables is established; the effects of combustion pressure and fuel flowrate on oscillation amplitude, wavelength and frequency are analysed; based on the measurement of flame temperature, soot and radical OH distributions, combined with the analysis of the hydrocarbon detailed reaction mechanism, the fine reaction functional partition structure of the hydrocarbon fuel/oxygen supercritical combustion flame is proposed, and chemical reaction mechanisms of the different flame partition are explored; the effects of cross diffusion on soot formation and flame structure are analyzed; the physical and chemical nature of hydrocarbon fuel/oxygen supercritical combustion flame is revealed. In the experimental and theoretical aspects,the project research provides the important basic data and theoretical support for the technology development of hydrocarbon fuel/oxygen supercritical combustion.

碳氢燃料在超临界燃烧极端热力学条件下存在积炭和燃烧不稳定等科学技术难题，已成为发展先进空天发动机必须突破的关键科学问题之一。目前，关于碳氢燃料/氧超临界燃烧的基础研究较少，本课题以碳氢燃料/氧超临界燃烧特性为研究目标，展开极端热力学条件下层流扩散火焰结构和稳定性的研究，分析碳氢燃料/氧超临界燃烧层流扩散火焰边界特征、火焰结构和火焰形态转变规律，建立火焰结构特征参数与燃烧参数之间的函数关系，分析燃烧压力和流量对火焰震荡幅度、波长和频率的影响机制；通过检测火焰温度、碳烟浓度和自由基OH 浓度等分布，并结合详细燃烧反应机理分析，提出碳氢燃料/氧超临界燃烧层流扩散燃烧火焰反应功能分区精细结构，分析各分区燃烧化学反应机制；建立燃烧模型，探索复杂耦合扩散对碳烟生成和火焰结构的影响机制；深入揭示碳氢燃料/氧超临界燃烧火焰物理化学过程本质，为碳氢燃料/氧超临界燃烧技术发展提供重要的基础数据和理论支持。

碳氢燃料在超临界燃烧极端热力学条件下存在积炭和燃烧不稳定等科学技术难题，已成为发展先进空天发动机必须突破的关键科学问题之一。.本课题为了实现碳氢燃料超临界层流扩散燃烧特性研究目的，构建了我国首套超临界同轴层流扩散火焰燃烧试验系统（燃烧压力可达15MPa，）以及碳氢燃料碳烟生成和火焰温度在线测量。. 开展了碳氢燃料/纯氧超临界极端热力学条件下层流扩散火焰结构研究，获得了高压条价下火焰震荡特性。通过试验，发现层流扩散火焰存在稳定燃烧、间歇震荡和持续震荡三种模式。火焰从稳定转为完全震荡的临界雷诺数在45-50附近，得到频率随弗劳德数变化的指数函数关系式： F=1.63∙〖Fr〗^(-0.65)。 .利用相空间重构方法，获得燃烧模式特征，压力较低时，相空间曲线分布松散，收敛曲线直径较小；压力增高后，曲线分布密度增加，收敛性增强。提高燃烧压力增强了火焰附近的扩散运动，有利于提高火焰稳定性，消除了随机干扰对燃烧的影响。.建立了正庚烷（n-C7H16）高压燃烧化学反骨干机理，并得到实验验证。该机理包含50种组分241个基元反应。火焰半径随压力增大变小，rf∝p-1/2；最大碳烟体积浓度随压力增大而增大，其函数关系为fv,max∝P2；有利于soot生成的条件为燃烧混合分数和温度分别为0.08~0.09和大约1200 K。. 研究了煤油碳氢燃料点火延迟特性，获得了压力、O2浓度和温度对着火延迟的影响机制以化学反应路径。研究表明，煤油点火延迟时间具有NTC负温度系数现象（NTC）；提高压力使得相应的NTC区域变窄。. 本课题所构建的超临界层流扩散燃烧试验系统，为研究超拼接燃烧火焰结构、碳烟生成、火焰稳定等提供了坚实的基础；所建立的燃烧模式分区和火焰高压精细结构为探索复杂耦合扩散对碳烟生成和火焰结构、揭示碳氢燃料/氧超临界燃烧火焰物理化学过程本质以及碳氢燃料/氧超临界燃烧技术发展提供重要的基础数据和理论支持。