石墨烯氧化物掺杂生物柴油-乙醇多组分液滴的火焰动力学与扩散机制研究

为解决生物柴油掺杂纳米材料及与挥发性化合物混合时液滴雾化对多液滴燃烧行为影响机制不清的问题，研究人员通过实验研究了石墨烯氧化物(GO)掺杂生物柴油-乙醇混合燃料的异质/均质雾化现象。采用火焰化学发光(chemiluminescence)和阴影成像技术，发现均质雾化使火焰扩散速率提升至10-40 mm2/s，显著高于异质雾化的6 mm2/s。该研究为新型燃料设计提供了重要理论依据，成果发表于《Fuel》。

　　

在能源转型与减排需求日益迫切的背景下，生物柴油因其可再生性和环保特性成为传统柴油的重要替代品。然而，纯生物柴油存在燃烧效率低、雾化效果差等问题，通过掺杂纳米材料或与乙醇等挥发性组分混合成为改进方向。但现有研究多集中于单液滴燃烧，对更接近实际工程应用的多液滴系统研究不足，特别是雾化类型（异质/均质）如何影响火焰传播动力学仍属空白。

来自国内高校的研究团队在《Fuel》发表论文，通过创新实验设计揭示了石墨烯氧化物(GO)掺杂生物柴油-乙醇混合燃料的燃烧机制。研究采用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)表征GO材料特性，构建了单液滴与三液滴阵列燃烧系统，结合4000 Hz高速化学发光成像和80 Hz阴影成像技术，首次系统比较了异质雾化（由GO纳米颗粒引发）与均质雾化（由乙醇挥发引发）对燃烧过程的影响。

在火焰动力学方面，研究发现GO掺杂生物柴油(B0.01)在液滴寿命后期（约20%时间后）出现10 Hz低频振荡，源于液-固界面的异质成核引发的雾化事件。而乙醇混合燃料(BE0.01)在点燃后立即产生<50 Hz的高频振荡，这是乙醇低沸点（78°C）与生物柴油高沸点（>200°C）差异导致的均质成核所致。值得注意的是，多液滴配置中无论GO掺杂浓度或乙醇添加如何，主导振荡频率始终稳定在10-15 Hz，表明雾化类型不影响基本振荡模式。

火焰扩散速率研究发现了四种传播模式：传统热扩散主导的Mode 1-2，以及雾化驱动的Mode A(B)和Mode A(BE)。当标准化液滴间距(S/d₀)为1.7-2.5时，异质雾化使扩散速率稳定在6 mm²/s；而均质雾化则使速率跃升至10-40 mm²/s，且与火焰化学发光振荡的均方根值呈正相关。通过对比Park等关于正癸烷和Wang等关于二甲基呋喃-麻风树油混合物的数据，证实燃料挥发性是决定扩散速率的关键——乙醇的加入使生物柴油扩散速率提升达3倍。

该研究的突破性发现在于阐明了雾化机制与火焰传播的定量关系：异质雾化通过纳米颗粒表面成核产生温和、延迟的雾化，而均质雾化借助组分挥发性差异引发剧烈、即时的雾化。这不仅解释了GO掺杂浓度（0-0.1%）为何不影响扩散速率，更揭示了乙醇添加通过改变雾化类型而非单纯改变燃料性质来提升燃烧效率的本质。这些结论为设计新型纳米复合燃料提供了明确方向，特别是对航空发动机和多相燃烧系统的优化具有重要指导价值。

讨论部分特别指出，虽然自然对流在实验中持续存在，但其影响在各测试条件下保持恒定，因此观测到的差异可明确归因于雾化机制。未来研究可进一步探索微重力环境下的燃烧特性，以及GO表面官能团（如羟基、环氧基）对红外吸收特性的调控作用，这将为精准控制雾化行为开辟新途径。