Experimental and chemical kinetics modeling investigation of autoignition of jet fuel and surrogates

Abstract

Diversos processos físicos e químicos que ocorrem em câmaras de combustão afetam a eficiência, durabilidade, confiabilidade e emissões de turbinas aeronáuticas. Além disso, metas globais de sustentabilidade resultaram em novas regulamentações que compelem os produtores de combustível a introduzir biocomponentes em suas formulações. O conhecimento dos efeitosda formulação do combustível no desempenho de turbinas a gás é de suma importância para o desenvolvimento de novos combustíveis drop-in. Este trabalho compreende o estudo experimental e a modelagem da oxidação de combustível de aviação e misturas substitutas utilizando mecanismos de cinética química detalhada. Primeiramente, apresenta-se uma extensarevisão das especificações de combustível de aviação, incluindo combustíveis alternativos, e de experimentos recentes, conduzidos para definir ?targets? e misturas substitutas. Medições do atraso de ignição de uma amostra de combustível de aviação comercial produzido no Brasil (QAV1) foram realizadas em tubo de choque, para temperaturas de 715 K a 1250 K, pressões de 15 bar e 30 bar, e razões de equivalência combustível/ar de 0,3 e 1,0. Uma curva de ajuste para os dados foi obtida e simulações de cinética química detalhada foram conduzidas, utilizando-se o mecanismo para três componentes (n-decano, iso-octano, tolueno), intitulado MURI 1, elaborado por Dooley et al. (2010). Em seguida, medições do atraso de ignição de misturas substitutas MURI 1 (n-decano, iso-octano, tolueno) e TRF (n-heptano, iso-octano, tolueno) foram obtidas em máquina de compressão rápida e tubo de choque, para temperaturas de 650 K a 1300 K, razões de equivalência combustível/ar de 0,5 e 1,0 e pressão de 15 bar, com opropósito de reproduzir o comportamento do combustível comercial QAV1. Foram realizadas simulações de cinética química detalhada, empregando mecanismos disponíveis na literatura e mecanismos ainda inéditos, buscando identificar a capacidade dos modelos em reproduzir comportamentos de coeficiente negativo de temperatura (NTC) e ignição em dois estágios. Por fim, uma análise de sensibilidade dos dois mecanismos para a mistura substituta TRF foi realizada para elucidar quais reações químicas eram críticas para que ambos exibissem atraso de ignição similar, porém ignição de primeiro estágio diferente. Não é de conhecimento do autor que estas medições e simulações já tenham sido realizadas para o combustível aeronáutico brasileiro.

Abstract : Several chemical and physical processes in the combustion chamber affect the efficiency, durability, dependability, and emissions of aviation turbines. Moreover, global sustainability criteria has resulted in new regulations requiring fuel producers to increase the amount of biofuels in their aviation fuel formulations. The knowledge of the effects of the fuel formulation in the performance of the gas turbine is of paramount importance to the development of new drop-in fuels. This work comprises modeling and experiments on the oxidation of jet fuel and fuel surrogates from a detailed chemical kinetics perspective. First, a thorough review of jet fuel?s specification, including alternative fuels, and of recent experiments carried out to definefuel ?targets? and surrogate compositions is presented. Ignition delay time (IDT) measurements for a Brazilian commercial Jet A-1 fuel sample were performed in a high pressure shock tube (ST) spanning a temperature range from 715 K to 1250 K, pressures of 15 bar and 30 bar and fuel/air equivalence ratios of 0.3 and 1.0. An expression fitting the measurements was obtainedand a detailed chemical kinetics modeling of the autoignition was carried out using the three-component MURI 1 (n-decane, iso-octane, toluene) mechanism from Dooley et al. (2010). Then, the IDT of fuel surrogates MURI 1 (n-decane, i-octane, toluene) and TRF (n-heptane, iso-octane, toluene) was measured both in a shock tube and a rapid compression machine at thetemperature range of 650 to 1300 K, fuel/air equivalence ratio of 0.5 and 1.0, and pressure of 15 bar with the intent of reproducing behavior of the Jet A-1 fuel. Detailed chemical kinetics modeling of these experiments was performed employing literature and unpublished mechanisms, aiming at identifying their ability to reproduce negative temperature coefficient (NTC) and two-stage ignition behavior. A sensitivity analysis of the mechanisms for surrogate TRF was carried out in order to elucidate the critical reactions governing an overall similar ignition delay but different first-stage ignition. To the author?s knowledge, this is the first time that these measurements and simulations have been performed for the Brazilian Jet A-1 aviation fuel.