Flame propagation of jet A-1 fuel and its surrogates

The laminar flame speed is an essential flame parameter for both chemical kinetic mechanism validation and turbulent combustion studies. Kerosene-derived jet fuel flame speeds, however, are largely unknown and due to complex composition of the fuels themselves they cannot be modelled numerically. To overcome this limitation surrogate fuels and blends are used to reproduce the same flame speed of amore complex mixture. To accomplish this for aviation fuel, a database is created of four potential jet fuel surrogate components for laminar flame speed. The neat hydrocarbon surrogates investigated are n-dodecane and n-decane, methylcyclohex-ane, and toluene, which represent the alkane, cycloalkane, and aromatic components of conventional aviation fuel, respectively. Several blends of these surrogate fuels are tested experimentally and numerically to validate the effect of blend composition on flame speed. The database is then used to develop a blend to match the flame speeds of a commercial aviation fuel, Jet A-1. Unlike previous investigations of flame propagation, in this study, numerical simulations are directly compared to velocity profile measurements in laminar stagnation flames to extrapolate to a condition of zero flame stretch. Numerical simulations of each experiment are obtained using the CHEMKIN-PRO software package and the JetSurF 2.0 mechanism with accurate specification of all necessary boundary conditions from experimental measurements. The advantage of this technique is that the extrapolation to the unstretched condition is independent of the how well the mechanism predicts reactivity. Therefore, JetSurF 2.0 was simultaneously validated for each of the surrogate fuels and blends in a previously unused manner. The mechanism showed relatively good agreement for the n-alkane and cycloalkane fuels for which it was optimized for, while consistently under predicted the reactivity of toluene. The compiled database of jet fuel surrogate components allowed for five different potential surrogate mixtures to be developed. Experimental results of these blends suggest that although jet fuel is a very complex mixture a simple surrogate mixture consisting of 73% n-decane and 27% toluene byvolume appropriately matches the flame speed of Jet A-1. Numerical results using JetSurF 2.0 suggest that a 63% n-decane and 37% toluene by volume blend is the most appropriate surrogate and this was used to extrapolate the experimental JetA-1 results and determine its laminar flame speed.La vitesse laminaire de flamme est un paramètre essentiel, autant pour la validation de mécanismes de cinétique chimique de flamme, que pour l'étude de la combustion turbulente. Toutefois, les vitesses de flamme des carburants d'aviations, dérivés du kérosène, sont en grande partie inconnues, et, en raison de leur composition complexe, ces carburants ne peuvent être modélisés numériquement. Pour surmonter cette lacune, des combustibles de substitution et des mélanges sont utilisés pour reproduire la vitesse de flamme d'un mélange plus complexe. Pour accomplir cela pour le carburant d'aviation, une base de données pour la vitesse de flamme laminaire est créée partir de quatre composants de substitution potentiels. Les hydrocarbures de substitution étudiés sont le n-dodécane et le n-décane, le méthylcyclohexane, et le toluène, qui représentent l'alcane, le cycloalcane, et les composants aromatiques du carburant d'aviation conventionnel, respectivement. Plusieurs mélanges de carburants de substitution sont testés expérimentalement et numériquement pour valider l'effet de la composition du mélange sur la vitesse de flamme. La base de données est ensuite utilisée pour élaborer un mélange ayant des vitesses de flamme correspondant au carburant commercial d'aviation Jet A-1. Contrairement aux études précédentes sur la propagation des flammes, dans la présente étude, des simulations numériques sont compaées directement des mesures de profil de vitesse de flammes laminaires de stagnation, afin d'extrapoler les résultats une condition de zéro étirement de la flamme. Les simulations numériques pour chaque expérience sont obtenues en utilisant le logiciel CHEMKIN-PRO et le mécanisme de cinétique JetSurF 2.0, en spécifiant précisément toutes les conditions limites partir des mesures expérimentales. L'avantage de cette technique est que l'extrapolation l'état non étiré est indépendante de la prédiction de réactivité inhérente au mécanisme utilisé. Par conséquent, JetSurF 2.0 était simultanément validé pour chacun des carburants de substitution et chacun des mélanges en utilisant cette mréthode innovatrice. Le mrécanisme a montrré une concordance relativement bonne pour les carburants n-alcanes et cycloalcanes, pour lesquels il a étré optimisé, tandis quil a constamment sous-prédit la réactivité du toluène. La base de données compilée pour les composants de substitution du carburant daviation a permis de développer cinq différents mélanges de substituts potentiels. Les résultats expérimentaux de ces mélanges suggèrent que, bien que le kérosène soit un mélange très complexe, un simple mrélange composé 73% de n-décane et 27% de toluène, en volume, reproduit la vitesse de flamme du Jet A-1 de manière appropriée. Les résultats numériques utilisant JetSurF 2,0 suggèrent que de 63% n-décane et 37% de toluène par un mrélange de volume est le substitut le plus approprié et cela a été utilisé pour extrapoler le Jet A-1 expérimentale des résultats et de déterminer sa vitesse de flamme laminaire