异辛烷液滴云自燃四类火焰结构转变机制及其非单调点火行为研究

《Proceedings of the Combustion Institute》：On the transition of four flames types of auto-ignited iso-octane droplet cloud

本文通过一维数值模拟与理论分析，揭示了异辛烷液滴云自燃过程中存在的四种火焰结构（简单、两阶段、双层、复杂），并发现热点火（HI）在可燃极限附近随环境温度（Ta）升高呈非单调性变化。研究创新性地提出了液滴尺度（Dad）和云团尺度（Dac）两个达姆科勒数（Damk?hler number）以解释不同温区（700-900 K与1000-1500 K）的点火机制差异，并建立了传导驱动的云团蒸发模型，对理解喷雾燃烧中的群燃（Group Combustion）现象具有重要意义。

　　

Highlight

结果

本节展示了不同初始条件下异辛烷液滴云自燃的模拟结果。章节3.1（低环境温度与液滴达姆科勒数下的火焰结构）和3.2（高环境温度与液滴达姆科勒数下的火焰结构）分别分析了低环境温度（T_a ∈ (700 K, 900 K)）和高环境温度（T_a ∈ (1000 K, 1500 K)）下的火焰结构，并引入了两个达姆科勒数来定量判断是否会发生热火焰点火（简称热点火，HI）。

讨论

在此，我们进一步分析了低温和高温环境下截然不同的热点火（HI）边界。划分这些状态的大致温度界线约为950 K，该温度对应于异辛烷中温和高温氧化路径的活化阈值[18]。在950 K以下，限制因素是缓慢的燃料蒸发。为了实现热点火（HI），冷焰（CF）必须与蒸发层重叠，以确保足够的燃料和自由基浓度。在950 K以上，外部暖焰（WF）的快速传播主导了自由基的积累，从而引发热点火（HI）。

结论

本研究通过数值模拟，展示了在P_a = 10 atm压力下，涵盖宽范围环境温度（T_a ∈ (700 K, 1500 K)）和群燃着火数（G_ig ∈ (0.01, 0.21)）的球形异辛烷液滴云的自燃行为，并包含了低温化学过程。研究识别出四种不同的火焰结构：简单型、两阶段型、双层型和复杂型。系统研究了这些结构之间转变的判据。对于T_a ∈ (700 K, 900 K)的情况，热点火（HI）由液滴尺度达姆科勒数（Da_d）控制，该参数比较了冷焰（CF）区域的化学反应时间尺度和液滴蒸发时间尺度。对于T_a ∈ (1000 K, 1500 K)的情况，热点火（HI）由云团尺度达姆科勒数（Da_c）控制，该参数比较了暖焰（WF）传播的反应时间和扩散时间。这两种机制导致了热点火（HI）边界在T_a–G_ig空间中呈倒S形，揭示了在接近可燃极限时，升高环境温度并不总是促进热点火（HI）的非单调行为。此外，在没有发生点火的情况下，尽管云团内的每个液滴遵循d2定律，但观察到云团半径近乎线性减小。这促使我们建立了一个传导驱动的液滴云蒸发模型，该模型能够准确预测热环境中的云团寿命。

创新性与意义声明

本工作识别并报道了在宽泛初始条件下，跨越可燃极限的异辛烷液滴云自燃中存在的四种不同火焰结构——简单型、两阶段型、双层型和复杂型。值得注意的是，它揭示了产生比冷焰（CF）高数个数量级热释放的热点火（HI），在接近点火阈值时并不一定随着环境温度的升高而发生。这种非单调行为凸显了蒸发-扩散-化学相互作用在决定液滴云点火中的关键作用。研究提出的液滴尺度（Da_d）和云团尺度（Da_c）达姆科勒数为理解不同温度区间的主导点火机制提供了定量工具。传导驱动的云团蒸发模型为预测密集喷雾的寿命提供了一种新方法。这些发现增进了对喷雾燃烧基础物理化学过程的理解，并对发动机点火和燃烧稳定性具有潜在意义。

作者贡献声明

Zixuan Ding: 撰写-审阅和编辑，撰写-初稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，形式分析，数据整理，概念化。

Hengyi Zhou: 可视化，方法论，研究。

Haiyu Song: 形式分析。

Yu Cheng Liu: 撰写-审阅和编辑，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到中国国家重点研发计划（资助号：2021YFA0716201）和国家自然科学基金（NSFC）（资助号：52076117）的支持。