高压高温条件下异辛烷/空气混合物层流燃烧速度的实验研究与动力学分析

　　为优化化石燃料燃烧效率并减少排放，研究人员采用外部加热发散通道法(EHDC)系统研究了异辛烷/空气混合物在1-4 atm、409-681 K条件下的层流燃烧速度(LBV)。发现LBV随温度升高增幅达315%，随压力增加降低35%，提出修正幂律关联式揭示温度/压力指数耦合关系，为发动机燃烧系统设计提供关键数据支撑。

　　

在全球交通运输领域仍高度依赖化石燃料的背景下，如何实现高效清洁燃烧成为关键科学难题。传统燃油燃烧产生的NO_x
、CO₂
等污染物持续挑战环境承载极限，而作为汽油替代组分的异辛烷(iso-octane)，其高压高温燃烧特性数据匮乏制约着发动机优化设计。尽管Metghalchi等学者早期测得异辛烷层流燃烧速度(LBV)，但实验未考虑火焰拉伸效应，且现有研究多局限于常压或窄温区(如Galmiche仅覆盖323-473 K)，难以满足实际发动机在1-4 atm、400-700 K工况下的设计需求。

针对这一瓶颈，印度科学与工程研究委员会资助的研究团队创新性地采用外部加热发散通道法(EHDC)，首次系统测量了异辛烷/空气混合物在1-4 atm、409-681 K宽工况下的LBV变化规律。通过对比LLNL与CRECK两种化学动力学模型的预测精度，结合详细敏感性分析，揭示了高压下H/OH/O自由基消耗主导的燃烧减速机制。该成果发表于《Fuel》，为构建高精度燃烧模型提供了不可替代的实验基准。

关键技术包括：1）石英材质10°发散通道结合红外加热系统实现1-4 atm、409-681 K精确控温；2）通过粒子图像测速(PIV)和CH*化学发光技术捕捉火焰锋面；3）采用详细化学反应机理(含1388个反应、234种组分)进行动力学模拟；4）基于误差传播理论对LBV测量进行±2.1 cm/s的不确定度分析。

【实验细节】
研究团队设计的EHDC系统通过预混燃烧室产生稳定火焰，利用高速摄影记录火焰形态。实验涵盖当量比(?)0.7-1.3的混合气，测得300 K时LBV为38.2 cm/s(?=1.0)，与文献值偏差<5%。

【压力温度对LBV的影响】
数据显示：1）温度每升高100 K，LBV增幅达65-80%，因高温促进链分支反应；2）压力从1增至4 atm使LBV下降31-35%，源于自由基复合反应(R+O₂
=RO₂
)增强；3）首次发现压力指数(β)与温度比(T_u
/T_u,0
)呈线性正相关，温度指数(α)随压力比(P_u
/P_u,0
)同步增大。

【结论】
该研究建立的修正幂律关联式S_L
=S_L0
(T_u
/T_u0
)^α
(P_u
/P_u0
)^β
中，α/β被证明是压力/温度比的函数，突破传统模型将指数视为常数的局限。动力学分析表明LLNL模型较CRECK更准确预测LBV变化，因前者更好处理了C₈
H₁₈
+O₂
=C₈
H₁₇
+HO₂
等关键反应路径。这些发现为航空发动机燃烧室设计、爆震抑制提供了理论依据，推动化石燃料向高效低碳转型。