随着计算机技术的不断发展,数值模拟方法得到了越来越广范的应用。作为传统实验研究的补充甚至替代手段,数值模拟具有资源消耗少,实现过程可靠、方便、快捷等优点,在燃烧理论分析和技术开发中起着越来越重要的作用。然而,常见的燃料如汽油、柴油、航空煤油等成分非常复杂,由成百上千种碳氢化合物组成,很难构建出能反映其真实物理和燃烧特性的模型,为此采用由少量典型组分构成的模型燃料来替代复杂燃料完成燃烧反应流分析被认为是一种有效的解决手段。目前,常用的模型燃料方法几乎均基于宏观目标参数匹配的手段,尽管具有简单、直观等优点,却普遍存在经验依赖性强、成本高、扩展性差等问题,大大制约了燃烧模拟在反应流分析中的推广、应用。针对当前模型燃料构建中所面临的以上问题,本文提出了一种基于分子结构相似的新型模型燃料构建方法FGBS(Function Group Based Surrogate Fuel)。该方法通过对目标燃料的微观分子结构的分析,获得反映其物理、化学性质的主要官能团信息;以官能团的构成参数为目标,确定基础燃料的类别及配比,并基于各基础燃料的机理构建模型燃料的化学动力学模型。主要的工作和成果如下:(1)通过燃料分子结构和燃烧反应流特性的分析,完成了基于分子结构相似的模型燃料机理构建方法FGBS的理论研究及完整的机理处理工具的开发。提出了以核心官能团来量化分子结构的方法,从而实现了分子结构的精确匹配。基于反应类的思想,结合计算机辅助,实现了燃料详细反应机理的自动构建。进一步采用机理简化和机理优化方法,得到可用于反应流模拟的模型燃料骨架机理。(2)基于FGBS方法分别构建了生物柴油、S-8人工合成油、Jet-A航空煤油、国产RP-3航空煤油和FACE汽油的模型燃料及机理。以典型官能团作为目标参数,选取MD9D、正十二烷和1,4-己二烯为基础燃料构建了生物柴油的模型燃料及机理;以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础组分,构建了能同时用于S-8人工合成油、Jet-A航空煤油和国产RP-3航空煤油反应流模拟的模型燃料及机理;以正庚烷、异辛烷、2,5-二甲基己烷、丁烷和甲苯作为基础组分构建了FACE A和C号汽油的模型燃料及机理。(3)分别验证了FGBS方法在预测燃料物理性质和燃烧性质的能力。首先对航空煤油模型燃料在亚临界和超临界条件下的密度、粘度、比热容和导热系数等进行了分析和验证,结果表明模型燃料与实验值能较好地吻合。为了验证FGBS方法对燃烧性能的预测能力,根据所获得的实验数据,对所构建的模型燃料的燃烧特性进行了验证。生物柴油模型燃料主要基于搅拌反应器和零维均质着火模型进行测试;航空煤油模型燃料基于激波管着火延迟时间和层流火焰速度等进行验证;对FACE汽油模型燃料则验证了不同压力和当量比下的着火延迟时间。模型燃料与实验值的良好吻合证明了FGBS方法所构建的模型燃料模拟目标燃料物理性质和燃烧特性的能力。(4)为了更加精确、方便地获得目标燃料的官能团信息,提出了一种基于核磁共振光谱分析获取燃料分子结构的新方法。采用核磁共振光谱信息获得燃料官能团的种类及份额,并归并、整合为典型官能团的参数,进而直接用于FGBS模型燃料构建。应用该方法,得到FACE F、G、I和J型号汽油的典型官能团。构建了以正庚烷、异辛烷、2,5二甲基己烷、甲苯、正丁烷、甲基环己烷和1-己烯为基础组分的模型燃料机理。通过与实验数据的对比分析,充分证明了模型燃料机理的精确性和该方法的可行性。(5)为了进一步测试FGBS方法及其所构建的模型燃料机理在反应流分析中的有效性,应用模型燃料机理分别对航空煤油在竖直圆管中超临界条件下的流动与传热特性,以及在本生灯中的火焰特性进行了模拟分析。结果表明,所建模型能较精确地地模拟出竖直圆管中航空煤油从正常传热到传热恶化的详细过渡过程;本生灯火焰模拟的结果也表明所构建的模型燃料机理能很好地反映RP-3航空煤油预混火焰的温度及重要组分的浓度分布规律。模拟结果证明了FGBS模型燃料构建方法在实际反应流中的应用价值。通过详细的测试和分析,充分证明了本文所提出的FGBS模型燃料机理构建方法的有效性。基于FGBS方法所获得的模型燃料不仅能有效地反映目标燃料的燃烧特性,还能较精确地表征其诸多物理性质。FGBS方法为复杂燃烧过程的详细动力学分析提供了一种新的有效手段。