多尺度分析揭示航空煤油替代组分正十二烷多射流预混火焰的碳烟生成机制

　　为解决航空煤油替代燃料正十二烷(n-dodecane)在多射流预混火焰中碳烟生成机制不明的问题，研究人员通过实验与ReaxFF分子动力学模拟相结合的方法，系统研究了当量比φ=5.0、火焰高度30 mm条件下碳烟在火焰中心与边缘的聚集演化规律。研究发现，火焰边缘多环芳烃(PAHs)聚集能力减弱，乙烯(C2 H4 )和氧气(O2 )分子延缓碳烟生长速率，导致中心区域碳烟粒径更大但浓度更低。该成果为航空发动机低污染设计提供了理论依据，发表于《Fuel》。

　　

航空煤油燃烧过程中产生的碳烟颗粒(PM)是影响发动机效率和环境健康的关键问题。作为航空燃料的重要替代组分，正十二烷(n-dodecane)的燃烧特性备受关注。然而，实际发动机中常见的多射流火焰构型下，碳烟生成机制尚不明确。传统单射流火焰研究难以反映复杂流场中碳烟的演化规律，且多环芳烃(PAHs)从气相到固相的转化过程存在微观机制空白。这一认知缺口严重制约了低污染燃烧技术的开发。

针对这一挑战，中国科学院工程热物理研究所联合高校团队在《Fuel》发表最新研究。该工作创新性地将McKenna燃烧器实验与ReaxFF(反应力场)分子动力学模拟结合，首次系统揭示了正十二烷多射流预混火焰中碳烟的多尺度形成机制。研究人员设计了当量比φ=5.0、火焰高度(HAB)30 mm的典型工况，通过高分辨率透射电镜(TEM)捕捉碳烟形貌演变，结合分子模拟解析PAHs的物理化学成核过程。

关键技术方法包括：1)采用多通道McKenna燃烧器建立可控多射流火焰系统；2)通过激光诱导炽光法(LII)和TEM实现碳烟空间分布与形貌表征；3)基于ReaxFF MD模拟PAHs在不同温度区(2000-3000 K)的堆叠动力学；4)引入乙烯(C₂
H₄
)/氧气(O₂
)混合体系模拟实际火焰边缘环境。

火焰特性分析
实验发现多射流火焰存在显著的空间异质性：当φ=3.0时中心射流主导火焰伸长，而φ=5.0时边缘火焰开始影响整体结构。这种不对称流动导致碳烟在中心与边缘呈现差异化生长。

碳烟形貌演化
TEM显示中心区域碳烟初级粒子直径(15-25 nm)显著大于边缘(8-12 nm)。分子模拟揭示边缘区域PAHs受C₂
H₄
/O₂
抑制，其π-π堆叠能降低40%，导致成核概率下降。高温下(>2500 K)芳香环氧化速率超过聚合反应，进一步阻碍碳烟生长。

分子机制解析
ReaxFF模拟首次捕捉到PAHs从平面堆叠到三维过渡的临界温度(2300 K)。中心火焰区因缺乏氧化剂，coronene(六苯并苯)等大分子PAHs通过物理堆叠主导成核；而边缘区化学成核(自由基重组)贡献率提升至65%。

结论与意义
该研究建立了多射流火焰中碳烟演化的"中心-边缘"二元模型：1)流体动力学差异导致中心区碳烟粒径大但浓度低；2)边缘区氧化环境通过双重机制(抑制PAHs聚集、加速芳香环断裂)调控碳烟生长。这一发现突破了传统单射流火焰理论的局限，为航空发动机多喷嘴燃烧室设计提供了关键参数：当量比φ>4.0时需重点优化边缘气流组织，而φ<3.0时应控制中心高温区停留时间。研究提出的"物理-化学协同成核"机制，为发展精准碳烟预测模型奠定了理论基础。

特别值得注意的是，Zhen-Yu Tian团队通过国家重点研发计划支持，将分子动力学时空尺度拓展至实际燃烧工况，这种"纳观-宏观"跨尺度研究方法，为复杂燃料燃烧研究提供了新范式。该成果不仅适用于航空煤油优化，对生物燃料掺混、柴油机减排等领域也具有重要指导价值。