● 摘要
本文以煤油型液体碳氢燃料及其替代物为研究对象，在一定压力温度状态下、一定驻留时间内的射流搅拌燃烧反应产物。以射流搅拌燃烧反应器为核心，设计建造了射流搅拌燃烧反应器试验系统，并通过数值模拟和实际实验证明设计的合理性。进行甲烷的燃烧反应研究，分别验证其反应器内部的温度均匀性、混合均匀性。对煤油型的单组份液态燃料、多组分液态燃料、航空煤油、煤基合成航空燃料及其与航空煤油的混合物的射流搅拌燃烧反应器进行系统的研究。通过试验研究得到以上碳氢燃料的均匀预混气的反应产物组成。
正癸烷、正庚烷、正戊烷及正癸烷/1,2,4三甲基苯混合物及航空煤油、煤基合成航空燃料、航空煤油/煤基合成航空燃料混合物随当量比，压力、进口温度和进口流量的影响规律一致。NOx随压力增大，进口温度增大而增大，表征NOx随搅拌器内部温度的升高而增大，随实际驻留时间的增大而增大。CO随压力增大而减小，随进口温度增大而略微增大，即CO在试验范围内，对进口温度不敏感。相同状态下，正癸烷/1,2,4三甲基苯混合物的NOx生成量比正癸烷生成量高15%，但是对CO影响较小，可以判断芳香烃对NOx的影响是增大的效应，对CO的影响比较小。相同状态下，三种正构烷烃，以及正癸烷/1,2,4三甲基苯混合物的EINOx、EICO的数值随氢碳比的增大而减小。相同状态下，四种实际燃料的EINOx、EICO的数值随氢碳比的增大而减小，但没有明显的线性关系，这与燃料组分的复杂性可能有关系。
针对单组份液态碳氢燃料、多组分碳氢燃料航空煤油、煤基合成航空燃料、航空煤油/煤基合成航空燃料混合物的射流搅拌燃烧反应器燃烧产物进行了理论数值模拟，提出利用两个搅拌器分别模拟射流火焰区域和回流区内的后火焰区域，通过调整PSR1的容积比例得到PSR2的燃烧产物生成与试验结果能够很好的对应。通过分析现有状态下NO生成的反应路径，各种燃料在当量比大于0.65后，NOx的生成受热力NO主导，而在当量比低的状态下，受N2O反应路径主导。对碳氢燃料NOx的预测Dooley机理和Naik机理对各种燃料压力、温度高的状态的预测较准确，而Aachen机理对燃料NOx生成预测值普遍偏高。对单组份碳氢燃料预测比较准确的是Naik和Dooley机理，对多组分燃料和航空煤油及煤基合成航空燃料的预测采用现有的代理燃料与机理在一定的状态内能够比较准确预测试验结果，但在更宽的范围内还需要进一步的验证。在现有的试验状态范围内，试验研究的几种燃料对象，采用的不同代理燃料和化学反应机理的模拟结果显示NO的生成对反应物组分的影响不敏感。
综合上述研究结果可知，液态碳氢燃料的射流搅拌燃烧反应器燃烧系统经过验证，给出了在现有试验状态范围内多种燃料的燃烧产物的结果和规律。后续还需要拓展到驻留时间更短、搅拌器压力更高的试验范围，更接近燃气轮机燃烧室工作状态，在更远的研究还将继续缩短射流搅拌燃烧反应器驻留时间，开展对熄火特性的研究。