利用双色高温计法研究结构多样性C12烃燃料液滴燃烧的Experimental study on droplet combustion of structurally diverse C12hydrocarbon fuels using two-color pyrometry

《Fuel》：Experimental study on droplet combustion of structurally diverse C12 hydrocarbon fuels using two-color pyrometry

　　

研究人员采用火焰光谱测量识别并剔除会引起分析误差的化学发光谱线，利用光学滤光片实现了高精度Hottel & Broughton(H&B)双色高温计法分析，与热电偶直接接触测温相比精度达±30 K。研究对象为含12个碳原子的9种烃燃料液滴，包括链烷烃(alkane-based hydrocarbons)、烷基苯(alkylated benzenes)、烷基萘(alkylated naphthalene)及烷基金刚烷(alkylated adamantanes)，考察其着火性(ignitability)、燃烧速率常数(burning rate constant, Kd)、火焰温度(flame temperature)及烟炱倾向(soot tendency)。烷基金刚烷与芳香族燃料在燃烧后期出现微爆(micro explosion)。与链烷烃相比，此类燃料燃烧速率较慢、火焰温度较低且烟炱倾向较高。链烷烃燃料液滴扩散火焰的最高温度区位于火焰上缘；高烟炱倾向的烷基金刚烷与芳香族燃料最高温度区则位于液滴附近至火焰下部。烷基金刚烷中，1,3-二甲基金刚烷(C12-DMA)的Kd较1-乙基金刚烷(C12-EA)大9.2%；C12-EA支链较少，表现出更优的着火性、更高火焰温度及更低烟炱倾向。各燃料火焰温度随燃烧热增大及烟炱生成减少而升高。正十二烷(n-Dodecane, C12-N)火焰温度最高，平均约2200 K，KL因子(KL-factor, 烟炱吸光积分离散参数)最低。1-乙基萘(1-Ethylnaphthalene, C12-EN)等强烟炱生成燃料因烟炱颗粒光学干涉可能导致KL因子被低估，难以定性比较烟炱生成倾向。

论文解读：《利用双色高温计法研究结构多样性C₁₂烃燃料液滴燃烧》

本文发表于《Fuel》，针对可持续航空燃料(SAF)、合成芳香煤油(SAK)及高能密度火箭推进剂研发中缺乏不同骨架结构单组分烃液滴燃烧系统数据的现状，研究人员选取9种C₁₂单组分燃料（链烷烃、环烷烃、芳香烃、笼型烷基金刚烷），通过悬浮单液滴燃烧实验结合改进的双色高温计(two-color pyrometry, H&B two-color pyrometry)法，系统测定其着火延迟时间(ignition delay time, ID)、燃烧时间(burning time, t_b)、燃烧速率常数(burning rate constant, K_d)、火焰温度分布及KL因子（表征火焰内烟炱(optically integrated soot absorption parameter, KL-factor)密度），阐明分子结构对燃烧特性的影响规律，为新型燃料配方设计提供基础数据库。

主要关键技术方法：

研究人员选用9种纯度≥97%的C₁₂单组分烃燃料（n-十二烷C12-N、2,2,4,6,6-五甲基庚烷C12-I、己基环己烷C12-C、联环己基C12-BiC、己基苯C12-HB、苯基环己烷C12-PCH、1-乙基萘C12-EN、1-乙基金刚烷C12-EA、1,3-二甲基金刚烷C12-DMA），采用水平SiC超细纤维(直径≈12 μm)悬浮单液滴(初始直径0.87–0.96 mm)，常重力常压环境下以镍铬丝点火引发液滴燃烧。利用两台高速相机分别采集背光照明的液滴序列图像（10,000 fps）与带长通及陷波滤光片的彩色火焰图像（500 fps，滤除CH* 430 nm、C₂* 516 nm及Na* 589 nm化学发光）。液滴直径经Python OpenCV边缘检测(Canny)与拟合法追踪，由D²-law线性回归得K_d。火焰温度与KL因子通过H&B双色高温计法由两波长(R/G通道) soot热辐射强度反算；以B型热电偶及光谱仪标定验证精度（±30 K）。每组燃料重复实验≥5次。

研究结果：

4.1. Droplet combustion behavior（液滴燃烧行为）

所有燃料液滴经预热膨胀后按D²-law线性减小。高烟炱倾向燃料（C12-HB、PCH、EN、EA、DMA）燃烧末期出现微爆——源于液滴表面烟炱沉积阻碍液相扩散及内部温升致气泡成核；C12-EN因热解生成低沸点组分诱发明显气泡长大并发生较大规模微爆。芳香族与烷基金刚烷燃料燃烧残留物多，并在液滴周围形成"烟炱壳(soot shell)"。

4.2. Ignitability and burning rate constant K_d（着火性与燃烧速率常数）

ID受沸点(T_boil)与分子中叔碳/季碳数影响，季碳抑制低温氧化链分支反应使ID延长；C12-DMA（两季碳）比C12-EA（一季碳）ID更长尽管沸点更低。ID顺序：C12-N < C < HB < BiC < I < PCH < EA < DMA < EN（C12-EN较C12-N长66.0%）。K_d总体与沸点趋势一致但受微爆干扰局部反转，顺序：C12-I > N > DMA > C > HB > PCH > EA > BiC > EN（C12-I较C12-EN大23.7%）。同属烷基金刚烷，C12-DMA的K_d比C12-EA大9.2%，C12-EA着火性更优、火焰温度更高、烟炱倾向更低。

4.3. Flame temperature and soot tendency（火焰温度与烟炱倾向）

低烟炱链烷烃组火焰最高温区位于火焰上缘；高烟炱芳香族/烷基金刚烷组最高温区位于液滴周边至火焰下部（上层被高KL区遮蔽致使传热传质受阻）。平均火焰温度T_ave,H&B顺序：EN < PCH < HB < DMA < EA < BiC < I < C < N；C12-N最高（T_max,H&B≈ 2450 K，T_ave,H&B≈ 2236 K）。平均KL因子KL_ave顺序：N < C < I < BiC < EN < EA < DMA < HB < PCH，表明芳香族及烷基金刚烷烟炱倾向显著更高。C12-EN因极高烟炱密度致颗粒间光学干涉使KL因子被低估。烷基金刚烷中C12-EA较C12-DMA火焰温度略高、KL因子略低。

讨论与结论总结（Conclusion）：

研究人员得出结论：(1) 所有燃料液滴燃烧符合D²-law，高烟炱倾向燃料燃烧末期偶现微爆；(2) 支链及环状结构增多显著延长ID，相同碳数不同骨架ID差异可达66.0%；(3) K_d大致随沸点降低而增大，顺序为C12-I > N > DMA > C > HB > PCH > EA > BiC > EN；(4) 链烷烃最高温区位于火焰上缘，高烟炱倾向燃料位于液滴附近至火焰下部；(5) 平均火焰温度随燃烧热增大及烟炱减少而升高，芳香族与烷基金刚烷火焰温度较链烷烃低约400 K，KL_ave顺序为C12-N < C < I < BiC < EN < EA < DMA < HB < PCH；(6) 同为烷基金刚烷，取代基位向与支化模式影响着火性、K_d、火焰温度及烟炱倾向——燃料分子设计需优化取代基排布而非仅选主骨架。C12-C、C12-BiC及C12-EA兼具较高密度、较高火焰温度和较低烟炱倾向，是无需依赖芳香组分的高密度火箭推进剂候选组分。该研究为SAK/SAF掺混比优化及新一代高密度燃料分子结构设计提供了关键实验依据。