航空燃料层流扩散火焰中炭黑初级粒子径向分布特征：基于SAXS的Jet A-1/SAF对比研究

本研究采用小角X射线散射（SAXS）技术，结合新型样条阿贝尔变换（SAT）反卷积方法，首次实现了航空燃料火焰中炭黑初级粒子尺寸空间分布的高精度解析。研究发现HEFA-SPK混合燃料通过改变炭黑形成动力学（而非单纯缩小粒径）显著降低颗粒物排放，为清洁航空燃烧技术提供了关键实验依据。

　　

Highlights

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  通过SAXS首次实现航空燃料火焰中炭黑初级粒子的空间分辨径向分布表征

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  HEFA-SPK混合燃料使最大几何直径D_p,geo从27±1.5nm降至16±2.5nm

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  燃料混合比例改变炭黑生长动力学而不仅是颗粒尺寸

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  Porod不变量分析显示随HEFA-SPK含量增加，炭黑体积分数系统性降低

Chemical fuel comparison

本研究对比分析三种燃料：乙烯、常规Jet A-1以及加氢处理酯类和脂肪酸合成链烷烃煤油（HEFA-SPK）。航空燃料（Jet A-1与HEFA-SPK）由赛峰集团提供，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）对液态燃料组成进行表征。

分析显示燃料间存在显著组成差异：常规Jet A-1包含饱和烃（直链烷烃与环烷烃）与芳香烃（单环至三环）混合物，而HEFA-SPK主要由直链烷烃（＞99%）组成且几乎不含芳香烃（＜0.1%）。这些组成差异直接影响燃烧过程中的烟尘形成倾向。

Radial profiles of the primary particle size distribution of the ethylene diffusion flame

图3.3展示了乙烯扩散火焰在燃烧器上方30毫米高度（HAB）处的初级粒子尺寸分布径向曲线。几何平均直径D_p,geo（红色曲线，左侧y轴）随径向位置从火焰中心向外逐渐增大，在r≈2.5毫米处达到峰值17±2.2纳米（95%置信区间），随后向火焰边缘逐渐减小。该变化趋势与既往测量的温度曲线[13,28]高度吻合——最高温度区域对应于氧化主导区，该区域粒子尺寸因表面氧化反应而减小。

Conclusions

通过阿贝尔反演SAXS数据，本研究首次实现了Jet A-1/HEFA-SPK混合燃料与乙烯扩散火焰中炭黑初级粒子分布的空间分辨径向表征，旨在成为燃烧研究领域的基准性工作。

应用样条阿贝尔变换（SAT）方法并结合改进的散射模型，获得了不同燃料组成下粒径分布及其演化的详细径向曲线。关键发现包括：纯Jet A-1火焰产生更大初级粒子（最大D_p,geo达27±1.5纳米）且生长-氧化区间转换陡峭，而HEFA-SPK混合燃料则呈现更小粒子（最大D_p,geo为16±2.5纳米）与更平缓的过渡特征。这些差异表明HEFA-SPK的添加通过改变粒子形成动力学路径（而不仅是缩小尺寸）来实现减排。Porod不变量（与炭黑体积分数成正比）分析显示，随着HEFA-SPK含量增加，炭黑体积分数系统性下降，但粒径分布模式保持相似。本研究建立的航空燃料火焰粒子特性空间解析数据库，为炭黑形成模型验证与清洁燃烧技术发展提供了关键支撑。