关于裂解燃料扩散火焰结构的实验和数值研究

《Combustion and Flame》：Experimental and numerical investigations on diffusion flame structures of cracked fuels

预裂解燃料的扩散火焰结构变化及其机理研究。通过实验与模拟分析n-辛烷、n-十二烷和四氢双环戊二烯燃料在600-1000 K裂解后的火焰高度、抬升高度及烟灰生成特性，发现裂解燃料火焰高度降低约2%，火焰温度升高导致OH和碳分布区域扩大，并建立火焰状态图。

　　

Kai-Ru Jin|Wen-Jiao Wang|Ya-Wen Liu|Hong-Qing Shi|Jiao-Jiao Wu|Zhi-Min Wang|Jiu-Jie Kuang|Du Wang|Ling-Nan Wu|Zhen-Yu Tian

中国科学院工程热物理研究所，北京 100190，中国

摘要

通过高温预裂化过程形成的裂化燃料具有显著不同的燃烧特性。尽管燃料裂化过程已有所研究，但与工业和动力应用密切相关的裂化燃料的扩散火焰结构仍不明确。本研究旨在揭示预裂化过程对火焰结构的影响。正庚烷、正十二烷和exo-四氢二环戊二烯燃料的预裂化过程在600至1000 K的温度范围内、常压下进行，生成的裂化燃料被输送到扩散火焰燃烧器中。扩散火焰的特性通过发光、Schlieren现象、化学发光和平面激光诱导荧光成像方法进行表征。基于实验结果建立了火焰状态图，描述了裂化燃料的附着火焰、抬升火焰和吹熄状态。裂化火焰会产生更多的烟尘和碳沉积物。由于碳沉积物的影响，Schlieren现象观察到倾斜的喷射流。使用Ansys Fluent软件模拟了裂化正庚烷燃料的火焰，考虑了层流和化学反应的相互作用，并采用了能够反映主要成分和裂化转化趋势的替代燃料。模拟结果显示，裂化燃料的火焰高度趋于降低，在裂化转化率为41%时，火焰高度减少了约2%。根据理论火焰高度方程，这种降低趋势主要是由于吸热裂化过程导致火焰温度升高所致。实验和模拟结果均表明，由于裂化产生的小分子（如氢）的强烈扩散作用，火焰底部区域的火焰羽流和OH*分布区域趋于扩大。本研究的发现有助于加深对裂化燃料火焰的理解，并为研究复杂成分的燃料开辟新的途径。

引言

航空航天动力装置（如航空发动机和冲压发动机[1]）正在快速发展。高性能要求带来了极端的热负荷挑战。在高温无氧条件下，烃类燃料会发生预裂化反应，形成包含小分子烃类和多环芳烃等复杂成分的裂化燃料[2]。烃类燃料的热解主要发生在再生冷却管[3]和预燃反应[4]中。航空煤油模型燃料（正庚烷C₇H₁₆[5]、正十二烷C₁₂H₂₆[5]和四氢二环戊二烯TCD[7]）在大约1000 K的温度下（即冲压发动机再生冷却管的温度）的热解转化率可达到约90%[8,9]。燃烧器的设计和运行可能受到燃料热解过程的影响。

已有研究探讨了裂化燃料的火焰特性[10,11]。从化学动力学的角度来看，C₁₂H₂₆燃料中的H₂和C₂H₄可以促进层流火焰速度[12]；C₇H₁₆/甲苯燃料中H₂和C₂H₄的混合有助于点火，而CH₄和C₃H₆的混合则会抑制点火[13]。H₂和C₂H₄分别增强了H₂O = O+OH和C₂H₄+OH = C₂H₃+H₂O反应。CH₄和C₃H₆的混合[14]通过消耗H和OH自由基来抑制点火。从超音速燃烧的角度来看，Cui等人[15,16,17]和Hou等人[18]研究了直接连接式超音速燃烧装置中裂化燃料的超音速燃烧，发现裂化过程可以提高超音速燃烧的静压、气流速度、静温和总温度[18]。 飞机发动机、火箭发动机和冲压发动机的燃烧过程主要由扩散火焰控制[19,20]。同轴喷射火焰是一种理想的扩散火焰模型。已从实验和模拟角度研究了普通燃料的火焰结构[21,22,23]和烟尘形成过程[24]。Jung等人[4]研究了裂化二甲醚（DME）的喷射火焰特性。DME裂化过程中主要生成氢、甲烷、一氧化碳和甲醛。通过调整数值模拟中的氢质量扩散系数，证实了在较低喷射流速条件下火焰抬升高度的降低趋势主要是由DME裂化产物的强扩散作用引起的。表1列出了裂化燃料燃烧的主要研究观点及主要气体产物。以往的研究从化学反应、超音速燃烧和喷射火焰的角度探讨了裂化燃料的燃烧特性，发现H₂和CH₄对点火和火焰燃烧有促进作用，而H₂的扩散改变了扩散火焰的结构。然而，实际燃料及其典型成分的扩散火焰结构仍不明确，裂化燃料成分和热值的影响也尚未明确。

方法

裂化火焰的研究采用了实验和数值方法相结合的方式，包括原位光学诊断表征和流体-反应耦合模拟。

火焰状态

根据实验结果，建立了裂化燃料的火焰状态图（见图2）。火焰状态图包括三个区域：附着火焰、抬升火焰和吹熄状态。 在指定的裂化温度（T_c）下，随着喷射流速的增加，扩散火焰的状态从附着状态转变为抬升状态最终熄灭。

结论

本研究通过实验和数值模拟研究了裂化C₇H₁₆、C₁₂H₂₆和TCD燃料的喷射火焰。 从实验角度出发，使用了火焰发光成像、Schlieren成像、化学发光成像和激光诱导荧光成像等原位成像方法来观察裂化燃料的喷射火焰。建立了描述附着火焰、抬升火焰和吹熄极限的火焰状态图。

CRediT作者贡献声明

Kai-Ru Jin：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。 Wen-Jiao Wang：撰写——审稿与编辑、方法论设计。 Ya-Wen Liu：撰写——审稿与编辑、方法论设计。 Hong-Qing Shi：撰写——审稿与编辑、方法论设计。 Jiao-Jiao Wu：撰写——审稿与编辑、方法论设计。 Zhi-Min Wang：撰写——审稿与编辑、方法论设计。 Jiu-Jie Kuang：撰写——审稿与编辑、资金申请、概念构建。 Du Wang：撰写——