CN113588861A - 一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，通过实验和仿真相结合的方法，首先探究了氧气浓度、稀释氮气流量以及燃料流量对航空替代燃料燃烧碳烟生成的影响，发现增大氧浓度、减少稀释氮气流量以及增加燃料流量均可以促进燃烧主要产物和碳烟前驱物的生成，并且可以提升碳烟前驱物的生成速率。其次，将对冲扩散燃烧器氧化剂侧和燃料侧的氮气替换为CO2，研究了CO2对燃料碳烟生成的调控，发现CO2替换在氧化剂侧和燃料侧均可以抑制燃烧主要产物和碳烟前驱物的生成。本发明通过实验和仿真模拟相结合的方法，可以得到不同工况对燃料燃烧产物和碳烟前驱物生成的影响以及实验和模拟结果的耦合关系，可以有效得到碳烟前驱物的生成路径。

Description

一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法
技术领域
本发明属于燃烧技术领域，具体涉及一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法。
背景技术
随着科技和经济的迅速发展，飞机对于普通人来说已经不再是遥不可及的了，已经成为人们出行的一种普遍的交通工具，这也使得航空事业发展迅速，各国大力发展民用航班以及军用机种，向空气这排放的污染物也越来愈多，大气污染日渐严重。空气污染问题严重制约了我国的社会文明进步和国民经济发展,时刻威胁着人民的身心健康,甚至对生存环境和生态安全都存在着巨大影响。尾气中所含的污染物主要是二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)以及碳烟颗粒等。航空煤油燃烧生成的碳烟颗粒表面携带有大量的致癌物质，悬浮在空气中的碳烟颗粒被吸入人体很危害人类的健康。因此，在适航要求中，民用航机的主要发展目标是低油耗和环保性、降低污染物排放。军用飞机则更注重高机动性、高可靠性、高速性等性能。近年来，对航空燃料的研究近年受到广泛的关注，逐渐成为研究的热点问题。
由于国产航空煤油的组成成分十分复杂，难以进行实验和构建化学动力学模型，因此实际一般采用理化特性相似结构简单的替代燃料进行研究，现有的研究方法手段单一，结果准确度有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，所述方法基于对冲扩散实验系统实施，所述对冲扩散实验系统包括航空替代燃料注射泵、质量流量计、蒸发器、阀门、对冲扩散火焰燃烧器、石英探针、稀释气源、保护氮气源、氧气源、氮气源、气体采样检测GC系统和混气装置，所述对冲扩散火焰燃烧器包括两个上下相向而置的圆形火焰燃烧器，并且两个圆形火焰燃烧器的中心轴线同轴，所述氧气源和氮气源通过混气装置形成模拟空气后与下部的圆形火焰燃烧器喷口连接，所述稀释气源通过质量流量计与蒸发器入口连接，燃料注射泵与蒸发器入口连接，蒸发器出口通过阀门与上部的圆形火焰燃烧器喷口连接，保护气源与上、下部的圆形火焰燃烧器喷口连接，石英探针插入上、下部的圆形火焰燃烧器之间，利用真空泵将燃烧生成气体通过石英探针抽入气体采样检测GC系统中在线检测；
所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定实验和仿真工况，包括模拟空气中的氧气浓度、稀释气体流量和燃料流量，并且确保实验时每组参数单一变化；
步骤2，实验研究：按照步骤1中所设计的实验工况进行实验，将模拟空气通入下部的圆形火焰燃烧器喷口，将稀释气源选为氮气，将蒸发器出来的气态燃料通入上部的圆形火焰燃烧器喷口，将保护气源选为氮气并通入上、下部的圆形火焰燃烧器喷口，进行航空替代燃料燃烧实验；
步骤3，在燃烧实验中，在上、下部的圆形火焰燃烧器中心轴向位置选取取样点，石英探针连接真空泵在不同取样点将燃烧生成气体抽取到气体采样检测(GC)系统中，进行在线检测，得到不同位置和不同工况下燃烧产物和碳烟前驱物的峰值图，使用外标法计算得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分数；
步骤4，根据步骤1中确定的实验工况，确定仿真的输入参数，所述输入参数包括氧气、稀释氮气、保护氮气和燃料的体积分数，上、下部的圆形火焰燃烧器之间的距离，实验压力，反应步长和环境温度，此外根据燃料的种类获取燃料对应的热力学参数文件和燃料反应机理文件；
步骤5，在化学反应动力学仿真软件中输入仿真的参数以及燃料的热力学参数文件和燃料反应机理文件，获得燃烧产物和碳烟前驱物导出摩尔分数分布和生成速率分布；
步骤6，根据步骤3和步骤5得到不同工况下实验和仿真的结果，分析后得到不同工况对燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的影响；
步骤7，分别将稀释气源和氮气源的氮气替换为CO2进行实验和仿真，工况与步骤1中保持一致，在CO2气氛下进行实验和仿真，得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分布，并且给出碳烟前驱物生成速率曲线；
步骤8，将步骤6和步骤7的结果进行比较，分析不同燃烧气氛下燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的变化，得到CO2对燃烧碳烟生成的调控作用。
进一步地，所述对冲扩散实验系统还包括用于确定真空泵中的压力值的压力表(13)。
进一步地，所述航空替代燃料为正癸烷。
进一步地，所述化学反应动力学仿真软件为CHEMKIN软件。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过实验和仿真模拟相结合的方法，可以直观、准确地得到不同工况对燃料燃烧产物和碳烟前驱物生成的影响，以及实验和模拟结果的耦合关系，可以有效得到碳烟前驱物的生成路径；
(2)本发明通过分别将CO2替换在对冲扩散燃烧器氧化剂侧和燃料侧，进行模拟和实验，将结果与N2气氛结果对比分析，探究了CO2对燃料燃烧碳烟生成的影响。
附图说明
图1是本发明对冲扩散实验系统构成图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本发明的目的在于提供一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法。本发明对航空替代燃料(如正癸烷)燃烧碳烟生成机理研究及调控提供了相应的方法，包括实验研究和仿真研究两个部分。其中实验研究主要基于对冲扩散实验系统对航空替代燃料进行燃烧实验，结合图1，该对冲扩散实验系统可分为对冲扩散火焰平台、燃料及气体输运系统、气体采样检测(GC)系统。对冲扩散火焰燃烧器5是由两个相向而置的圆形火焰燃烧器组成，并且保证两者的中心轴线在同一重垂线上，两者相距8mm。实验时，利用质量流量计2控制气体的体积流量，阀门4控制管路的连通状态，氧气9和氮气10通过混气装置14混合后作为模拟空气通入燃烧器下喷口，注射泵1将航空替代燃料匀速注入蒸发器3，燃料在蒸发器中气化，稀释氮气7携带已经被气化的燃料通入燃烧器上喷口，保护氮气8分别通入燃烧器上下喷口，确保实验过程中火焰状态的稳定，模拟空气和气态燃料这两组方向相反的气流会在上下燃烧器之间的某一位置形成一个滞留平面，该位置主要由两组气流的动量决定，对冲扩散火焰高度位置略微低于滞留平面。采用在线取样检测的方式，测量燃料燃烧过程主要产物和碳烟前驱物的摩尔分布。石英探针6插入上下燃烧器之间不同轴向高度位置，利用真空泵将燃烧生成气体通过探针抽入GC系统12中在线检测，通过化学反应动力学仿真软件11分析得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分数，压力表13负责确定真空泵中的压力值，确保取样结果的准确性。仿真研究主要采用化学反应动力学仿真软件(例如CHEMKIN软件中的OPPDIF模块)对实验的工况进行仿真研究，模拟得到实验工况下主要燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分数曲线，分析不同工况对燃烧产物和碳烟前驱物的影响以及实验和仿真结果的耦合关系。并且分别将对冲燃烧器氧化剂侧和燃料侧替换为CO2气氛，进行实验和仿真，研究CO2对燃料燃烧碳烟生成的调控作用。
本发明航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法对燃料燃烧碳烟生成的机理研究提供相应的方法，包含以下步骤：
步骤1，确定实验和仿真工况，包括模拟空气中的氧气浓度、稀释N2流量和燃料流量，并且确保实验时每组参数单一变化。
步骤2，按照步骤1中所设计的实验工况进行实验，将模拟空气通入下部的圆形火焰燃烧器喷口，将稀释气源7选为氮气，将蒸发器3出来的气态燃料通入上部的圆形火焰燃烧器喷口，将保护气源8选为氮气并通入上、下部的圆形火焰燃烧器喷口，进行航空替代燃料燃烧实验。
步骤3，在燃烧实验中，在两个燃烧器中心轴向位置选取取样点，石英探针6连接真空泵在不同取样点将燃烧生成气体抽取到GC系统12中，进行在线检测，得到不同位置和不同工况下燃烧产物和碳烟前驱物的峰值图，使用外标法计算得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分数。
步骤4，根据步骤1中确定的实验工况，确定仿真的输入参数，包括氧气、稀释氮气、保护氮气和燃料的体积分数，燃烧器之间的距离，实验压力、反应步长和环境温度。此外根据燃料的种类在相关网页中搜索燃料对应的热力学参数文件和燃料反应机理文件。
步骤5，在化学反应动力学仿真软件(CHEMKIN软件中的OPPDIF模块)中输入仿真的参数以及确定的碳烟燃料的热力学参数文件和燃料反应机理文件，运行程序后，选取燃烧产物和碳烟前驱物导出摩尔分数分布和生成速率分布，得到由仿真软件输出的excel表格，表格包含产物和碳烟前驱物的摩尔分数分布和生成速率分布。
步骤6，根据步骤3和步骤5得到不同工况下实验和仿真的结果，分析后可以得到不同工况对燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的影响，比如，正相关或负相关，以及实验和仿真结果的耦合关系。
步骤7，分别将氧化剂和燃料侧N2替换为CO2进行实验和仿真，工况与步骤1中保持一致，在CO2气氛下进行实验和仿真，得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分布，并且给出碳烟前驱物生成速率曲线。为了方便后续分析CO2对燃烧产物和碳烟生成的影响。
步骤8，将步骤6和步骤7的结果进行比较，分析不同燃烧气氛下燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的变化，可以得到CO2对燃烧碳烟生成的调控作用，比如，促进或者抑制碳烟前驱物的生成。深入研究了航空替代燃料在对冲扩散平台的碳烟的生成机理。
本发明通过实验和仿真相结合的方法，首先探究了氧气浓度、稀释氮气流量以及燃料流量对航空替代燃料燃烧碳烟生成的影响，发现增大氧浓度、减少稀释氮气流量以及增加燃料流量均可以促进燃烧主要产物和碳烟前驱物的生成，并且可以提升碳烟前驱物的生成速率。其次，分别将对冲扩散燃烧器氧化剂侧和燃料侧的氮气替换为CO2，研究了CO2对燃料碳烟生成的调控，发现CO2替换在氧化剂侧和燃料侧均可以抑制燃烧主要产物和碳烟前驱物的生成。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，所述方法基于对冲扩散实验系统实施，所述对冲扩散实验系统包括航空替代燃料注射泵(1)、质量流量计(2)、蒸发器(3)、阀门(4)、对冲扩散火焰燃烧器(5)、石英探针(6)、稀释气源(7)、保护氮气源(8)、氧气源(9)、氮气源(10)、气体采样检测(GC)系统(12)和混气装置(14)，所述对冲扩散火焰燃烧器(5)包括两个上下相向而置的圆形火焰燃烧器，并且两个圆形火焰燃烧器的中心轴线同轴，所述氧气源(9)和氮气源(10)通过混气装置(14)形成模拟空气后与下部的圆形火焰燃烧器喷口连接，所述稀释气源(7)通过质量流量计(2)与蒸发器(3)入口连接，燃料注射泵(1)与蒸发器(3)入口连接，蒸发器(3)出口通过阀门(4)与上部的圆形火焰燃烧器喷口连接，保护气源(8)与上、下部的圆形火焰燃烧器喷口连接，石英探针(6)插入上、下部的圆形火焰燃烧器之间，利用真空泵将燃烧生成气体通过石英探针(6)抽入气体采样检测(GC)系统(12)中在线检测；
所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定实验和仿真工况，包括模拟空气中的氧气浓度、稀释气体流量和燃料流量，并且确保实验时每组参数单一变化；
步骤2，实验研究：按照步骤1中所设计的实验工况进行实验，将模拟空气通入下部的圆形火焰燃烧器喷口，将稀释气源(7)选为氮气，将蒸发器(3)出来的气态燃料通入上部的圆形火焰燃烧器喷口，将保护气源(8)选为氮气并通入上、下部的圆形火焰燃烧器喷口，进行航空替代燃料燃烧实验；
步骤3，在燃烧实验中，在上、下部的圆形火焰燃烧器中心轴向位置选取取样点，石英探针(6)连接真空泵在不同取样点将燃烧生成气体抽取到气体采样检测(GC)系统(12)中，进行在线检测，得到不同位置和不同工况下燃烧产物和碳烟前驱物的峰值图，使用外标法计算得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分数；
步骤4，根据步骤1中确定的实验工况，确定仿真的输入参数，所述输入参数包括氧气、稀释氮气、保护氮气和燃料的体积分数，上、下部的圆形火焰燃烧器之间的距离，实验压力，反应步长和环境温度，此外根据燃料的种类获取燃料对应的热力学参数文件和燃料反应机理文件；
步骤5，在化学反应动力学仿真软件中输入仿真的参数以及燃料的热力学参数文件和燃料反应机理文件，获得燃烧产物和碳烟前驱物导出摩尔分数分布和生成速率分布；
步骤6，根据步骤3和步骤5得到不同工况下实验和仿真的结果，分析后得到不同工况对燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的影响；
步骤7，分别将稀释气源(7)和氮气源(10)的氮气替换为CO2进行实验和仿真，工况与步骤1中保持一致，在CO2气氛下进行实验和仿真，得到燃烧产物和碳烟前驱物的摩尔分布，并且给出碳烟前驱物生成速率曲线；
步骤8，将步骤6和步骤7的结果进行比较，分析不同燃烧气氛下燃烧产物和碳烟前驱物摩尔分数的变化，得到CO2对燃烧碳烟生成的调控作用。
2.根据权利要求1所述的航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，其特征在于，所述对冲扩散实验系统还包括用于确定真空泵中的压力值的压力表(13)。
3.根据权利要求1所述的航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，其特征在于，所述航空替代燃料为正癸烷。
4.根据权利要求1所述的航空替代燃料燃烧碳烟生成机理研究及调控方法，其特征在于，所述化学反应动力学仿真软件为CHEMKIN软件。
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