全球航空业的快速扩张对国际脱碳目标构成了重大挑战。2024年燃料消耗量达到990亿加仑，并预计2025年将进一步增长3.6% [1]，因此该行业作为高空二氧化碳排放的主要来源受到了严格的监管审查。作为回应，国际民航组织（ICAO）制定了国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）[2]，并设定了到2050年实现净零碳排放的长期目标。在这一框架下，可持续航空燃料（SAFs）被视为近期和中期减排的最关键工具。然而，2024年SAFs仅占总燃料消耗量的不到1%，因此需要大幅加速其生产和使用，这要求我们对其燃烧性能有深入的了解。
将SAFs成功集成到全球机队中是一个基于燃料化学的巨大工程挑战。尽管被认证为“即用型”燃料，但它们独特的分子组成从根本上改变了燃烧过程。与由烷烃、环烷烃和芳香烃组成的传统煤油不同，来自费托合成（FT）和氢化酯及脂肪酸（HEFA）等途径的SAFs几乎完全是烷烃的 [3]。这种缺乏芳香烃的特性改变了关键的燃料属性，导致雾化、蒸发和化学动力学路径发生显著变化。这些变化体现在燃烧特性的两个关键领域：火焰结构和燃烧不稳定性。火焰结构决定了热释放的空间分布，从而影响发动机效率、排放和稳定性。燃烧不稳定性是一种潜在的破坏性热声现象，其中火焰动态与燃烧室声学耦合，导致严重的压力振荡。因此，了解火焰结构和稳定性对SAFs的响应是确保下一代航空发动机安全可靠运行的前提。
先前的研究已经确定，SAFs的物理性质直接影响火焰结构。在这些性质中，粘度尤为重要，因为它控制着喷雾雾化，进而决定了燃料蒸发速率和随后的燃烧过程。例如，Kumar等人 [[4], [5], [6]] 研究了在旋流稳定燃烧室中生物质衍生燃料（丁醇、丁基丁酸酯、柠檬烯）的火焰结构。他们的结果表明，高粘度燃料（如丁醇）由于雾化不良会产生较大液滴，导致蒸发缓慢、火焰拉长和反应区扩大。相比之下，低粘度燃料具有高效的雾化和快速蒸发特性，产生紧凑的火焰。Dasgupta等人 [7] 使用大涡模拟分析了燃料性质的影响；他们的结果显示，较低的粘度提高了火焰对称性，而较高的热值则扩大了高温区并使火焰结构更加紧凑；同时降低密度和粘度可以显著提高温度均匀性。在773 K和10 bar的RQL燃烧室中，Griebel等人 [8] 实验观察到，高粘度HEFA燃料在喷射器附近产生更集中的热释放区（OH*），这是由于高粘度引起的喷雾行为较差的直接结果。这些研究清楚地表明，高粘度会降低雾化效果，导致火焰集中且紧凑；而低粘度则增强雾化效果，使火焰结构更加均匀和对称。
然而，火焰结构不仅取决于燃料性质，还取决于它们与特定喷射器和燃烧室空气动力学的相互作用。Islam等人 [9] 表明，通过使用一种先进的喷射器来缓解燃料性质的不足，高粘度替代燃料（C-3）和传统Jet A的总体火焰结构可以变得非常相似。这一发现强调了雾化质量——即燃料性质和喷射器设计的结果——是燃料物理特性与最终火焰结构之间的主要联系。
SAFs的蒸发特性也至关重要，特别是在贫预混（LPP）燃烧室中，不完全蒸发会降低性能和稳定性。Attia及其同事的一系列研究调查了废弃食用油甲酯（WCOME）[10]、霍霍巴生物柴油-Jet A-1混合物 [11] 以及由废弃食用油制成的B10生物柴油混合物 [12] 在LPP燃烧室中的火焰温度分布。他们发现，沸点较高（约350°C）和粘度较高（40°C时为4.53 mm2/s）的燃料在较低空气预热温度（170–250°C）下会发生不完全蒸发。这种不良蒸发会导致燃烧模式转变为部分预混模式，其特征是燃料富集区和火焰温度均匀性降低。关键的是，研究表明，通过提高空气预热温度可以克服这一缺陷，从而增强蒸发并促进燃烧模式恢复为更均匀的完全预混状态。上述发现表明，动态蒸发过程——即燃料挥发性和燃烧室运行条件的结果——最终影响实际燃烧环境中的火焰结构。此外，Corporan等人 [13] 表明，虽然预热燃料通常通过增强蒸发来减少火焰长度和烟尘，但这种效果取决于燃料类型。他们的研究显示，C-1燃料是一个关键例外，其富含异构烷烃的组成导致在260°C时提前蒸发，从而在局部产生燃料富集区和意想不到的烟尘增加。这表明火焰行为受到温度和燃料特定蒸馏特性的复杂相互作用的影响。
现代民用航空发动机广泛采用了分级燃烧技术，以平衡低排放和广泛运行稳定性的竞争需求。分级燃烧系统包括一个在低功率下稳定扩散火焰的引燃阶段，以及一个利用贫预混火焰在高推力下最小化NOx排放的主燃烧阶段。这些不同区域之间的相互作用形成了复杂的层状火焰结构，其热释放特性和稳定性对燃料的物理化学性质极为敏感。这使得分级燃烧室成为评估SAFs性能的特别具有挑战性但又至关重要的环境。
随着贫预混火焰在分级燃烧室中的采用，燃烧不稳定性变得越来越重要，燃料性质在其中起着决定性作用。多项研究明确了特定燃料性质与燃烧不稳定性之间的明确联系。Stouffer等人 [14] 表明，燃料蒸馏曲线是关键因素。他们发现，C-5（具有平坦蒸馏曲线）和C-2（具有双峰蒸馏曲线）燃料在其他燃料之前就引发了不稳定性的发生，揭示了燃料蒸发动力学与热声振荡之间的强烈耦合。Okai等人 [15,16] 的进一步研究表明，虽然煤油会产生显著的压力振荡，但在相同条件下HEFA和FT-SPK则没有表现出这种不稳定性。这些发现共同表明，燃料的组成和蒸馏特性与其稳定性性能直接相关，某些SAFs显示出潜在的有益特性。将燃料性质与不稳定性联系起来的根本机制涉及液滴的动态传输。Alhaffar等人 [17] 研究了正庚烷/正十二烷混合物，发现增加更易挥发的正庚烷的比例会使系统更容易发生不稳定性，表现为火焰描述函数增益和瑞利指数的增加。他们还揭示，这是由于液滴数波与火焰强度波之间的强烈耦合所致。这证实了液滴向火焰前沿的周期性传输——这种热释放的振荡——是燃烧不稳定性的主要物理驱动因素。
尽管现有研究为SAFs在航空发动机燃烧室中的应用奠定了坚实的理论基础，但在实际应用中仍面临重大挑战。研究表明，不同类型的SAFs与传统喷气燃料在燃烧特性上存在显著差异，直接影响发动机的稳定性和可靠性。特别是在极端高温和高压条件下，基于HEFA的可持续航空燃料及其与传统航空燃料混合物的火焰结构和燃烧不稳定机制仍不甚清楚。
因此，本研究重点关注HEFA可持续航空燃料、传统航空煤油及其混合物，在高温高压条件下对火焰结构和燃烧不稳定机制的演变进行了全面研究。目的是为SAFs的实际应用提供理论支持。
