Ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến đặc tính bồ hóng của nhiên liệu hàng không trong ngọn lửa khuếch tán

TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 
 Trang 55 
Ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến đặc 
tính bồ hóng của nhiên liệu hàng không 
trong ngọn lửa khuếch tán 
 Hồng Đức Thông 
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
 Osamu Fujita 
Division of Mechanical and Space Engineering, Hokkaido University, Japan 
(Bài nhận ngày 13 tháng 7 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) 
TÓM TẮT 
Đặc tính hình thành bồ hóng trong ngọn 
lửa khuếch tán, cháy tầng bằng bấc trong 
giới hạn của điểm khói được khảo sát cho 
dodecane (C12H26) và các hỗn hợp của nó 
với 10, 20 và 25% thể tích propylbenzene 
(C9H12).Bằng phương pháp hấp thu ánh 
sáng, thể tích bồ hóng hình thành trong ngọn 
lửa (VS) được xác định như là một hàm biến 
thiên theo chiều cao ngọn lửa (Hf) và khối 
lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời 
gian (݉̇f). Từ dữ liệu thực nghiệm thu được, 
một mô hình toán học được xây dựng để ước 
lượng VS của các hỗn hợp 
dodecane/propylbenzene theo hai biến là ݉̇f 
và nồng độ của propylbenzene (%PB) trong 
hỗn hợp. Kết quả cho thấy thể tích bồ hóng 
tạo thành tỉ lệ thuận với chiều cao ngọn lửa, 
lượng nhiên liệu tiêu thụ và nồng độ của 
propylbenzene. Trong đó, tác động đến bồ 
hóng hình thành của Hf, ݉̇f và %PB tương 
ứng là một hàm bậc hai, hàm lũy thừa và 
hàm tuyến tính. Nghiên cứu này tạo ra một 
cơ sở dữ liệu để tối ưu hóa các tính năng ưu 
nhược của nhóm hydrocarbon thơm trong 
nhiên liệu hàng không. Điều này có ý nghĩa 
rất quan trọng khi mà hydrocarbon thơm 
được hòa trộn vào paraffin sinh học – được 
sản xuất từ các acid béo có trong dầu thực 
vật bằng phương pháp sử lý Hydro – để sử 
dụng như là nhiên liệu hàng không.
Từ khóa: dodecane, propylbenzene, bồ hóng, ngọn lửa khuếch tán.
1. GIỚI THIỆU 
Nhiên liệu thay thế như diesel sinh học, 
methanol và ethanol đã được biết đến như là một 
giải pháp cho an ninh năng lượng thế giới và biến 
đổi khí hậu. Trong thực tế, đã có rất nhiều thành 
tựu trong nghiên cứu và ứng dụng các nhiên liệu 
tái sinh này trên động cơ tĩnh tại và ô tô ở nhiều 
quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, các nhiên liệu 
sinh học chỉ nhận được sự chú ý trong ngành công 
nghiệp hàng không [1 – 17] từ năm 2008 khi mà 
Ủy ban Châu Âu thông qua Kế hoạch Kinh doanh 
Khí thải của Liên hiệp Châu Âu (European Union 
Emissions Trading Scheme – EU ETS). Chỉ dẫn 
2008/101/EC của Hội đồng Châu Âu [18] thống 
nhất từ năm 2012, khí CO2 thải ra từ tất cả các 
chuyến bay thương mại bay đến, xuất phát và 
trong Liên hiệp Châu Âu đều phải thực thi EU 
ETS. Trong EU ETS, nhiên liệu sinh học được 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 
Trang 56 
xem là trung tính với khí CO2 [19, 20] và các 
hãng hàng không có thể hưởng lợi từ việc chuyển 
nhượng các chỉ tiêu về CO2. 
Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học hàng 
không hiện nay chủ yếu là sử lý Hydro 
(Hydrotreating) và Fischer-Tropsch. Cả hai quy 
trình này đều cho sản phẩm cuối cùng là hợp chất 
paraffin sinh học có mạch carbon nằm trong dãy 
thích hợp của nhiên liệu phản lực (Jet fuel). Để 
thỏa mãn các tiêu chuẩn nghiêm ngặc của nhiên 
liệu hàng không các paraffin sinh học này được 
hòa trộn với các hydrocarbon thơm (<25% thể 
tích) để tạo thành nhiên liệu hàng không sinh học. 
Các nhiên liệu hàng không sinh học này được hòa 
trộn với kerosene hóa thạch (Jet A-1) để tạo ra 
kerosene sinh học sử dụng trên các máy bay mà 
không cần phải thiết kế hay hiệu chỉnh động cơ 
và cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu. 
Hydrocarbon thơm được pha vào các 
paraffin sinh học để (a) hạn chế nhiên liệu rò rỉ ở 
hệ thống nhiên liệu của máy bay [7, 17]; và (b) 
cải thiện điểm đông (freezing point) của nhiên 
liệu [21]. Tuy nhiên, hydrocarbon thơm cũng 
được biết đến như là một chất phát sinh ra bồ 
hóng rất mạnh trong khi cháy. Bồ hóng sinh ra có 
thể gây quá nhiệt buồng cháy, giảm hiệu suất và 
tuổi thọ của động cơ máy bay [22, 23]; khi các bồ 
hóng này thoát ra ngoài, chúng gây tác hại 
nghiêm trọng lên sực khỏe con người và làm trái 
đất ấm lên [24 – 29]. Do đó đặc tính bồ hóng của 
nhiên liệu hàng không sinh học cần được làm 
sáng tỏ trước khi sử dụng trên động cơ máy bay. 
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khảo 
sát bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa khuếch tán 
cháy tầng bằng bấc của các hỗn hợp dodecane và 
propylbenzene với tỉ lệ 0, 10, 20 và 25% thể tích. 
Dodecane và propylbenzene được lựa chọn làm 
nhiên liệu thí nghiệm trong nghiên cứu này vì (a) 
chúng là nhiên liệu đặc trưng cho nhiên liệu hàng 
không, trong đó dodecane đại diện cho nhóm 
paraffin và propylbenzene đại diện cho nhóm 
hydrocarbon thơm [30]; (b) công thức phân tử 
trung bình của các paraffin sinh học gần giống 
với dodecane [21]. 
Lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ 
(ṁf) và thể tích bồ hóng hình thành (VS) được 
khảo sát theo chiều cao ngọn lửa (Hf), ṁf = f(Hf) 
và VS = f(Hf), cho từng hỗn hợp nhiên liệu kể trên 
bằng phương pháp hấp thu ánh sáng. Mối liên hệ 
giữa VS và ṁf được tính toán, VS = f(ṁf). Từ kết 
quả thực nghiệm, thể tích bồ hóng được thiết lập 
như là một hàm theo hai biến là ṁf và nồng độ 
propylbenzene (%PB) cho các hỗn hợp 
dodecane/propylbenzene, VS = f(ṁf, %PB). 
Mục đích của nghiên cứu này để thấy được 
ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến sự hình 
thành bồ hóng của nhiên liệu hàng không. Đây là 
một cơ sở dữ liệu rất quan trọng để tối ưu hóa các 
tác động ưu nhược điểm của hydrocarbon thơm 
trong nhiên liệu hàng không sinh học để từ đó có 
thể tối ưu hóa tỉ lệ hòa trộn propylbenzene vào 
paraffin sinh học. 
2. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 
2.1 Hệ thống thí nghiệm 
Hình 1 thể hiện sơ đồ của hệ thống thí 
nghiệm để tính toán xác định đặc tính bồ hóng 
hình thành trong ngọn lửa khuếch tán, cháy tầng, 
cùng dòng và bằng bấc thông qua phương pháp 
hấp thụ ánh sáng. Chiều cao ngọn lửa được điều 
chỉnh bằng cách điều chỉnh chiều cao của bấc. 
Ống chứa bấc có đường kính trong là 7 mm và 
đường kính ngoài là 8 mm. Buồng cháy hình trụ 
tròn được làm bằng thủy tinh Pyrex có đường 
kính trong 90 mm và chiều dài là 250 mm. 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 
 Trang 57 
Không khí được cung cấp từ đáy của buồng 
cháy với lưu lượng không đổi 30 lít/phút (tương 
ứng với vận tốc là 7.86 cm/s). Để dòng không khí 
đồng nhất trong khu vực cháy, không khí được 
cung cấp vào buồng cháy thông qua hai lưới tổ 
ong có cấu trúc 750 lục giác trên mỗi inch vuông. 
Để giữ ổ định ngọn lửa, một cái nắp làm bằng 
inox có đường kính 120 mm, trên đó có nhiều lỗ 
tròn với đường kính 6 mm, được đặt trên đỉnh của 
buồng cháy. Hệ thống thí nghiệm được đặt trong 
các vách xung quanh màu đen để giảm tác động 
nhiễu ánh sáng từ môi trường. 
Một kính lọc giao thoa XBPA540, cung cấp 
bởi Công ty Spectra Asahi – Hoa Kỳ, dùng để 
chọn bước sóng ánh sáng cho hình ảnh thí 
nghiệm. Kính lọc này chỉ cho phép ánh sáng có 
bước sóng 540 nm đi qua. Một máy ảnh kỹ thuật 
số Panasonic HDC-TM750 – Nhật Bản, được gắn 
kính lọc trên đó, để ghi hình nguồn ánh sáng khi 
có và không có ngọn lửa. Video ghi hình được 
chuyển sang các hình ảnh tĩnh. Sau đó, các hình 
ảnh được phân tích để so sánh cường độ ánh sáng 
của chúng bởi một chương trình Matlab. Thể tích 
bồ hóng được xác định bằng cách áp dụng định 
luật Beer – Lambert trong giới hạn Rayleigh. 
Lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ 
được đo bằng một cân kỹ thuật số Shimadzu 
UX2200H với khả năng đọc 0.01g và một đồng 
hồ điện tử. Để tăng độ chính xác, mỗi lần đo được 
thực hiện với một khối lượng nhiên liệu lớn hơn 
1g và mỗi điểm thử nghiệm được lặp lại ba lần để 
lấy giá trị trung bình. 
Nhiên liệu thí nghiệm là dodecane (C12H26) 
và propylbenzene (C9H12) được cung cấp từ Công 
ty Millipore Merck, Nhật Bản. Bốn mẫu nhiên 
liệu trong nghiên cứu này được liệt kê trong 
Bảng 1. 
Bảng 1. Các mẫu nhiên liệu thí nghiệm 
Nhiên 
liệu 
Ký hiệu 
Thành phần, 
(% thể tích) 
C12H26 C9H12 
(1) Do100% 100 0 
(2) Do90%+10%PB 90 10 
(3) Do80%+20%PB 80 20 
(4) Do75%+25%PB 75 25 
2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bồ hóng bằng 
phương pháp thu ánh sáng 
Định luật Beer – Lambert phát biểu rằng sự 
truyền ánh sáng qua một vật chất là một hàm 
logarit của mặt cắt ngang hấp thu, Cext, mật độ 
các hạt hấp thụ, N, và khoảng cách ánh sáng 
truyền qua vật chất, L. 
extLNC
0
I e
I
 (1) 
2
ext C ext ext
dC A Q Q
4
(2) 
Trong đó: I, I0 là cường độ ánh sáng truyền 
qua vật chất và cường độ ánh sáng truyền thẳng, 
AC là diện tích mặt cắt ngang của hạt, d là đường 
kính của hạt, và Qext là hiệu suất cản ánh sáng. 
Theo lý thuyết tán xạ Mie cho hạt cầu [31, 
32], khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước 
sóng của tia bức xạ tới (x « 1) và nếu |m|x « 1, 
thì hiệu suất được tính gần đúng: 
2
ext 2
m 1Q 4x Im
m 2
  
 
  
(3) 
Trong đó: x d/  là độ lớn đường kính 
hạt, λ là bước sóng ánh sáng, m = n – ik là chỉ số 
phức khúc xạ của hạt, n và k lận lượt là phần thực 
và ảo của m, và Im là giá trị ảo của số phức. Trong 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 
Trang 58 
nghiên cứu này, m = 1,57 - 0.51i được chọn để 
phân tích bồ hóng. Giá trị của trị số này được tính 
toán từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm của 
Dalzell và Sarofim [33]. 
Thay (2) và (3) vào (1) ta có: 
2 3 2
2
0
I d NL m 1ln Im
I m 2
  
  
(4) 
Tỉ lệ thể tích bồ hóng, fv, có thể được biểu 
diển theo một hàm của tổng số hạt trên một đơn 
vị thể tích, N, và đường kính hạt, d, như sau: 
3
vf d N6
 (5) 
Thay (5) vào (4) ta có: 
0
v 2
2
Iln
I
f
m 16 L Im
m 2
 
  
 
 
 (6) 
Với giả thuyết các hạt bồ hóng có cùng kích 
thước, tỉ lệ thể tích bồ hóng dựa trên phép đo 
quang học có thể được tính toán từ phương trình 
(6) bằng cách thu được cường độ của ánh sáng 
khi có và không có ngọn lửa, chiều dài ánh sáng 
truyền qua ngọn lửa và bước sóng ánh sáng. 
Hình 2. Chiều cao để xác định lượng bồ hóng phát 
sinh trong ngọn lửa 
Từ kết quả so sánh cường độ ánh sáng của 
các hình ảnh 2D, trường phân bố tỉ lệ thể tích bồ 
hóng trong ngọn lửa 3D, fv (Z, r), được xây dựng 
bằng thuật toán Abel ba điểm [34]. Thể tích soot, 
Vs, trong ngọn lửa đươc tính như sau: 
FH R
S v
0 0
V dZ f (Z, r)2 rdr 
(7) 
Trong đó: r là bán kính của ngọn lửa tại 
chiều cao Z, R và FH là bán kính ngoài cùng và 
chiều cao của ngọn lửa. Chiều cao tính toán bồ 
hóng của ngọn lửa được thể hiện ở Hình 2, trên 
độ cao này thì lượng bồ hóng tồn tại không 
đáng kể.
 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Các hình ảnh ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu 
được ghi lại ở độ cao 28 mm thể hiện trong Hình 
3. Các hình dạng và màu sắc của các ngọn lửa 
thay đổi đáng kể khi nồng độ hydrocarbon thơm 
thay đổi. Khi %PB tăng lên thì đường kính ngọn 
lửa thu hẹp và biên dạng của nó chuyển từ lồi 
sang lõm. Vùng không có bồ hóng ở phần dưới 
ngọn lửa giảm (ngắn) đi và vùng ánh sáng vàng 
ở phần trên di chuyển xuống dưới (gần ống bấc), 
điều này cho thấy bồ hóng được hình thành rất 
gần miệng ống bấc. Khuynh hướng thay đổi cấu 
trúc hình dạng của ngọn lửa khảo sát trong nghiên 
cứu này rất giống với thí nghiệm của Kobayashi 
và công sự [35] đã nghiên cứu cho benzene 
(C6H6) và hexane (C6H14). 
Hình 3. Hình ảnh ngọn lửa ở độ cao 28 mm, (a) – (d) 
tương ứng với nhiên liệu (1) – (4) 
%PB càng cao thì ngọn lửa càng sáng. 
Dodecane tinh khiết, ngọn lửa (1), có đỉnh ngọn 
lửa kín. Khi hydrocarbon thơm được hòa trộn vào 
dodecane thì đỉnh của ngọn lửa dần mở rộng và 
xuất hiện "cánh" bồ hóng trên đỉnh ngọn lửa. 
Điều này có thể dự đoán rằng lượng bồ hóng tăng 
lên khi tăng nồng độ propylbenzene. 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 
 Trang 59 
Hình 4 thể hiện ánh sáng đơn sắc của các 
ngọn lửa có cùng nhiên liệu với chiều cao khác 
nhau (Hình 4a và 4b) và các ngọn lửa có cùng 
chiều cao nhưng nhiên liệu khác nhau (Hình 4b 
và 4c). Các bóng của ánh sáng (vệt đen) được gây 
ra bởi sự hiện diện của bồ hóng và chúng trở nên 
rõ ràng hơn ở Hf cao hơn và %PB lớn hơn. Điều 
này lại một lần nữa cho thấy rằng bồ hóng sinh ra 
nhiều hơn khi chiều cao ngọn lửa và tỷ lệ 
propylbenzene trong hỗn hợp tăng lên. 
Hình 4. Ảnh đơn sắc của ngọn lửa – (a) và (b) là 
nhiên liệu (4) ở độ cao ngọn lửa 14 mm và 28 mm; 
(c) là nhiên liệu (2) ở độ cao ngọn lửa 28 mm. 
Hình 5 trình bày sự tương quan giữa lưu 
lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ và chiều cao 
ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu. Dodecane có mối 
quan hệ tuyến tính giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ 
và chiều cao ngọn lửa. Kết quả này phù hợp với 
lý thuyết ngọn lửa khuếch tán [36, 37] và các 
nghiên cứu thực nghiệm của Olson và các cộng 
sự [38], Glassman và Yaccarino [39]. 
Hình 5. Tương quan giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ và 
chiều cao ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu 
Theo lý thuyết ngọn lửa khuếch tán [37, 38], 
chiều cao ngọn lửa, Hf, được tính như sau: 
o 0.67
0f
f 1
0 f
T22400m 1H
4 .D .MW T ln(1 S ) 
 (8) 
Trong đó: ṁf là lưu lượng khối lượng nhiên 
liệu tiêu thụ, D0 là hệ số khuếch tán tại 300K, 
MW là khối lượng phân tử, Tf và T0 là nhiệt độ 
trung bình của ngọn lửa và nhiệt độ nhiên 
liệu/không khí ban đầu, và S là thể tích không khí 
cần để đốt cháy một thể tích nhiên liệu. 
Áp dụng công thức gần đúng sau đây: 
ln (1 + S-1) ~ S-1 (9) 
Ta có: 
o 0.67
0f
f
0 f
T22400mH S
4 .D .MW T
 (10) 
Phương trình (10) cho thấy Hf tỉ lệ tuyến tính 
với ṁf nếu các thông số khác giữ không đổi. Tuy 
nhiên kết quả thí nghiệm cho thấy mối liện hệ trên 
trở nên phi tuyến khi thêm propylbenzene vào 
dodecane. %PB càng lớn thì chiều cao ngọn lửa 
với cùng một lượng nhiên liệu tiêu thụ càng tăng 
lên so với cách tính HF bằng công thức (10). Sự 
tăng lên của chiều cao ngọn lửa trong trường hợp 
này được cho là do sự gia tăng tổn thất nhiệt do 
bức xạ (vì bồ hóng tạo thành trong ngọn lửa tăng 
lên) làm giảm nhiệt độ trung bình ngọn lửa. 
Một lý do khác là khi bồ hóng tăng trong ngọn 
lửa có thể đã thay đổi cơ chế xác định chiều dài 
ngọn lửa theo công thức (10), ví dụ như là cần 
phải xét đến thời gian phản ứng oxy hóa bồ hóng 
hơn là thời gian khuếch tán oxy vào tâm của ngọn 
lửa. Kết quả của nghiên cứu này khá tương đồng 
với kết quả của Roper và các công sự [40] trong 
đó mối quan hệ phi tuyến cũng được tìm thấy 
giữa Hf và ṁf đối với propylen với giải thích là 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 
Trang 60 
khi nồng độ bồ hóng cao, vùng oxy hóa bồ hóng 
sẽ tăng lên trong ngọn lửa khuếch tán. 
Hình 6. Thể tích bồ hóng biến thiên theo 
chiều cao ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu 
Hình 7. Thể tích bồ hóng biến thiên theo lượng 
nhiên liệu tiêu thụ của 4 mẫu nhiên liệu 
Hình 6 và 7 thể hiện thể tích bồ hóng biến 
thiên theo chiều cao ngọn lửa và lượng nhiên liệu 
tiêu thụ của 4 mẫu nhiên liệu. Kết quả cho thấy 
cho thấy lượng bồ hóng tăng lên khi tăng Hf, ṁf 
và %PB. Sự gia tăng bồ hóng theo ṁf cao hơn so 
với Hf. Các đường cong gần đúng thể hiện là hàm 
bậc hai cho mối quan hệ giữa VS với Hf và mối 
quan hệ giữa VS với ṁf là hàm lủy thừa. 
Từ các dữ liệu thu được, các tác giả đã xây 
dựng mô hình thực nghiệm để ước lượng thể tích 
bồ hóng , VS(ṁf, %PB), như là một hàm hai biến 
của ṁf và %PB, cho các hỗn hợp dodecane và 
propylpenzene (Do/PB) với các giả thuyết sau: 
- Ảnh hưởng của ṁf và %PB là độc lập đến 
sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa, do đó 
phương trình thể tích bồ hóng, VS(ṁf, %PB), có 
dạng: 
VS(ṁf, %PB) = f(ṁf) x f(%PB) (11) 
Trong đó f(ṁf) và f(%PB) là các hàm tác 
động độc lập của ṁf và %PB đến bồ hóng hình 
thành. 
- Hàm ảnh hưởng của lượng nhiên liệu tiêu 
thụ, f(ṁf), được giả định là bằng với phương 
trình thể tích bồ hóng của dodecane, VS(ṁf, 0). 
Từ phương trình ở Hình 7 ta có hàm f(ṁf) của 
hỗn hợp Do/PB là: 
f(ṁf)hh Do/PB = VS(ṁf, 0) 
= VS, dodecane = 0.2636(ṁf)2.4966 (12) 
- Sự chênh lệch thể tích bồ hóng hình 
thành giữa dodecane nguyên chất và các hỗn hợp 
của nó với 10, 20, 25 %vol. propylbenzene là do 
sự tác động của propylbenzene, bao gồm cả các 
tác động kết hợp các hợp chất nhiên liệu, sự khác 
biệt của các đặc tính nhiên liệu v.v Từ phương 
trình (11) và (12) ta có hàm f(%PB) của hỗn hợp 
Do/PB: 
o
fS hh Do/PB
hh Do/PB o
2.4966
f
V (m ,%PB)
f (%PB)
0.2636(m )
 (13) 
Bằng cách thay thế tất cả các dữ liệu thực 
nghiệm thu được vào phương trình (13) ta có thể 
xác định được hàm gần đúng nhất của ảnh hưởng 
%PB đến thể tích bồ hóng hình thành, f (% PB), 
cho các hỗn hợp nhiên liệu Do/PB. 
Hệ số xác định của hàm này, R୲୭୲ୟ୪ଶ , được 
tính như sau: 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 
 Trang 61 
n
2
i i
2 i
total n
2
i
i
(y f )
R 1
(y y)


(14)
Trong đó: n là số mẫu khảo xác, yi and fi là 
giá trị thực nghiệm và giá trị ước lượng, và yത là 
giá trị trung bình của các giá trị thực nghiệm. 
Kết quả hàm thể tích bồ hóng hình thành 
trong ngọn lửa và hệ số xác định của hỗn hợp 
nhiên liệu dodecane/propylbenzene: 
VS(ṁf, %PB)hh Do/PB = 0.2636(ṁf)2.4966 * 
[12.499(%PB) + 1.0419] (15) 
 R୲୭୲ୟ୪ଶ = 0.94 
Phương trình (15) cho thấy thể tích bồ hóng 
sinh ra tỷ lệ tuyến tính với %PB. Với giá trị ṁf 
nhất định, thể tích bồ hóng của hỗn hợp nhiên liệu 
dodecane/propylbenzene tăng lên khoảng 12% 
khi mỗi 1% thể tích propylbenzene thêm vào hỗn 
hợp. Điều này giải thích tại so các hydrocarbon 
thơm có ảnh hưởng đáng kể rất đến sự phát ra bồ 
hóng trong quá trình cháy. 
4. KẾT LUẬN 
Đặc tính bồ hóng của các hỗn hợp nhiên liệu 
dodecane và propylbenzene ở các tỉ lệ thể tích 
khác nhau với các kết luận như sau: 
- Lượng nhiên liệu tiêu thụ và chiều cao 
ngọn lửa có liên hệ tuyến tính đối với dodecane 
nguyên chất. Tuy nhiên, mối quan hệ này trở nên 
phi tuyến khi propylbenzene được thêm vào 
dodecane do sự gia tăng đáng kể về sự hình thành 
bồ hóng trong ngọn lửa. Nồng độ hydrocarbon 
thơm càng cao thì chiều cao ngọn lửa thực 
nghiệm thu được càng lớn hơn so với lý thuyết 
ngọn lửa khuếch tán. Điều này mở ra một hướng 
nghiên cứu mới về các yếu tố ảnh hưởng đến 
chiều cao ngọn lửa bên cạnh sự khuếch tán oxy 
từ màng lửa vào tâm của ngọn lửa. 
- Thể tích bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa 
tăng lên khi tăng chiều cao ngọn lửa, lượng nhiên 
liệu tiêu thụ và nồng độ propylpenzene trong hỗn 
hợp. Kết quả thực nghiệm cho thấy thể tích bồ 
hóng là một hàm lũy thừa đối với lượng nhiên 
liệu tiêu thụ và là một hàm bậc hai đối với chiều 
cao ngọn lửa. 
- Một mô hình thực nghiệm đã được xây 
dựng để ước lượng bò hóng hình thành cho hỗn 
hợp nhiên liệu dodecane/propylbenzene theo hai 
biến là lượng nhiên liệu tiêu thụ và đồng độ 
propylbenzene. Từ mô hình toán học ta có bồ 
hóng hình thành trong ngọn lửa tỷ lệ tuyến tính 
với nồng độ của propylbenzene trong hỗn hợp. 
Với một lượng nhiên liệu tiêu thụ nhất định, mỗi 
1% thể tích propylbenzene thêm vào hỗn hợp thì 
thể tích bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa tăng 
khoảng 12%. Điều này cho thấy ảnh hưởng của 
hydrocarbon thơm đến sự hình thành bồ hóng là 
rất đáng kể như đã đề cập ở phần giới thiệu. 
Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng khi 
xem xét tỉ lệ hòa trộn tối ưu các hydrocarbon 
thơm vào paraffin sinh học nhằm tận dụng các ưu 
điểm của hydrocarbon thơm để đạt được các yêu 
cầu khắt khe của nhiên liệu hàng không và cũng 
hạn chế được các tác hại do chúng gây ra cho 
động cơ, con người và môi trường xung quanh. 
Mặc dù quá trình cháy trong động cơ máy bay 
khác rất nhiều so với điều kiện thí nghiệm của 
nghiên cứu này nhưng đây là công việc đơn giản 
nhất và hiệu quả kinh tế nhất để có được nền tảng 
cơ bản cho việc tìm hiểu cơ chế phức tạp xảy ra 
trong động cơ thật.
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 
Trang 62 
Effects of aromatic on soot 
characteristics of aviation fuel 
surrogates in diffusion flames 
 Hong Duc Thong 
Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM 
 Osamu Fujita 
Division of Mechanical and Space Engineering, Hokkaido University, Japan 
ABSTRACT 
Co-annular smoke-free laminar 
diffusion wick-fed flames of dodecane and its 
blended with various amounts of 
propylbenzene of 10, 20, 25 vol.% have 
been used to study soot formation 
characteristics. Dodecane and 
propylbenzene are selected as the 
surrogates for paraffin class and aromatic 
class of aviation fuel. A light extinction 
method is adopted to determine the total 
soot volume (TSV) as a function of flame 
height (Hf) and fuel mass consumption rate 
(FMCR). An empirical model has been built 
to predict soot formation of dodecane and 
propylbenzene (Do/PB) mixtures as the 
function of two variables of FMCR and 
concentration of propylbenzenet (%PB). 
TSVs of Do/PB mixtures increase with 
increasing Hf, FMCR and %PB. The effect of 
Hf, FMCR and %PB on soot formation are 
respectively expressed as the quadratic, 
power law and linear functions. The result of 
current work creates a database for 
optimizing the trade-off impacts of aromatic 
in aviation fuel. This information is of high 
importance when blending aromatic to bio-
paraffins, which is produced from 
triglycerides and fatty acids in the vegetable 
by hydrotreating process, for using as a fuel 
in aircraft engines. 
Keyword: dodecane, propylbenzene, soot, diffusion flame. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Cromarty J, Abanteriba S, Utilisation of bio-
fuels in gas-turbine engines: An 
experimental and theoretical evaluation, 
Proc. SAME 2009; FEDSM2009–78589: 
1649–1653. 
[2]. Llamas A, et al., Biokerosene from coconut 
and palm kernel oils: Production and 
properties of their blends with fossil 
kerosene, Fuel 2012; 102: 483–490. 
[3]. Llamas A, et al., Biokerosene from babassu 
and camelina oils: Production and properties 
of their blends with fossil kerosene, Energy 
Fuels 2012; 26: 5968–5976. 
[4]. Jenkins RW, Munro M, Nash S, Chuck CJ, 
Potential renewable oxygenated biofuels for 
the aviation and road transport sectors, Fuel 
2013; 103: 593–599. 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 
 Trang 63 
[5]. Hileman JI, et al., The Feasibility and 
potential environmental benefits of 
alternative fuels for commercial aviation, 
26th International Congress of the 
Aeronautical Sciences, ICAS 2008. 
[6]. Corporan E, et al., Emissions characteristics 
of a turbine engine and research combustor 
burning a Fischer-Tropsch jet fuel, Energy 
Fuels 2007; 21: 2615–2626. 
[7]. DeWitt MJ, et al., Effects of aromatic type 
and concentration in Fischer-Tropsch fuel 
on emissions production and material 
compatibility, Energy Fuels 2008; 22: 
2411–2418. 
[8]. Moses CA, Roets PN, Properties, 
characteristics, and combustion 
performance of Sasol fully synthetic jet fuel, 
Eng J. Gas Turbines Power 2009; 131 (4): 
041502. 
[9]. Timko MT, et al., Combustion products of 
petroleum jet fuel, a Fischer–Tropsch 
synthetic fuel, and a biomass fatty acid 
methyl ester fuel for a gas turbine engine, 
Combust. Sci. Technol. 2011; 183: 1039–
1068. 
[10]. Rahmes TF, et al., Sustainable bio-derived 
synthetic paraffinic kerosene (Bio-SPK) jet 
fuel flights and engine tests program results, 
9th AIAA Aviation Technology, Integration, 
and Operations Conference (ATIO) 2009, 
Hilton Head, South Carolia. 
[11]. Holmgren J, Bio aviation fuel, World 
Biofuels Markets Congress, Brussels, 
Belgium, 2008. 
[12]. Holmgren J, Creating alternative fuel 
options for the aviation industry: Role of 
biofuel, ICAO Alternative Fuel Workshop, 
Montreal, Canada, 2009. 
[13]. Kinder JD, Rahmes T, Evaluation of bio-
derived synthetic Paraffinic kerosenes (Bio-
SPK), Boeing Company, 2009. 
[14]. UOP Honeywell Company, Commercial 
technologies for green jet fuels, RUSI 
Alternative Fuels & Energy Resources 
Workshop, London, UK, 2009. 
[15]. Bertelli C, Current status of biofuels 
production and use for commercial aviation, 
BIO – V Seminario Latinoamericano y del 
Caribe de Biocombustibles, Chile, 2010. 
[16]. Miake-Lye RC, Wood EC, Timko MT, Yu 
Z, Effects of alternative fuels on 
hydrocarbon and particle emissions from 
aircraft engines, TAC–2 Proceedings, 2nd 
International Conference on Transport, 
Atmosphere and Climate, Aachen and 
Maastricht, 2009: 26–32. 
[17]. Beyersdorf A, Anderson B, An overview of 
the NASA alternative aviation fuel 
experiment (AAFEX), TAC–2 Proceedings, 
2nd International Conference on Transport, 
Atmosphere and Climate, Aachen and 
Maastricht, 2009: 21–25. 
[18]. Directive 2008/101/EC of the European 
Parliament and of the Council of 19 
November 2008, Official Journal of the 
European Union, 2009. 
[19]. Commission Decision 2009/339/EC of 16 
April 2009, Official Journal of the European 
Union, 2010. 
[20]. International Air Transport Association, 
IATA 2010 report on alternative fuels, 5th 
ed., Montreal – Geneva, 2010. 
[21]. Hong TD, Soerawidjaja TH, Reksowardojo 
IK, Fujita O, Duniani Z, Pham MX, A study 
on developing aviation biofuel for the 
Tropics: Production process - experimental 
and theoretical evaluation of their blends 
with fossil kerosene, Chem. Eng. and 
Process 2013; 74: 124–130. 
[22]. Blazowski WS, Combustion considerations 
for future jet fuels, Proc. Combust. Inst. 
1977; 16: 1631–1639. 
[23]. Blazowski WS, Future jet fuel combustion 
problems and requirements, Prog. Energy 
Combust. Sci. 1978; 4: 177-199. 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 
Trang 64 
[24]. Pope III CA, Burnett RT, Thun MJ, et al., 
Lung cancer, cardiopulmonary mortality, 
and long-term exposure to fine particulate 
air pollution, J. The American Medical 
Association 2002; 287: 1132-1141. 
[25]. Kennedy IM, The health effects of 
combustion-generated aerosols, Proc. 
Combust. Inst. 2007; 31: 2757–2770. 
[26]. Janssen NA, et al., Health effects of black 
carbon, World Health Organization, 
Regional Office for Europe, 2012. 
[27]. Webb S, et al., Airport Cooperative 
Research Program, Report 6: Research 
needs associated with particulate emissions 
at airports, Transportation Research Board, 
Washington DC, 2008. 
[28]. Ramanathan V, et al., Indian ocean 
experiment: An integrated analysis of the 
climate forcing and effects of the great Indo-
Asian haze, J. Geophysical Research 2001; 
106: 28,371-398. 
[29]. Bond TC, et al., Bounding the role of black 
carbon in the climate system: A scientific 
assessment, J. of Geophysical Research 
2013; 118: 5380–5552. DOI: 
10.1002/jgrd.50171. 
[30]. Colket M, et al., Development of an 
experimental database and kinetic models 
for surrogate jet fuels, American Institute of 
Aeronautics and Astronautics, 2007. 
[31]. Bohren CF, Huffman DR., Absorption and 
scattering of light by small particles, 
Canada: A Wiley – Interscience Publication, 
1998. 
[32]. Bohren CF, Scattering by particles, the 
McGraw, Hill Companies, 2010. 
[33]. Dalzell WH, Sarofim AF, Optical constants 
of soot and their application to heat-flux 
calculations, Trans. ASME J. Heat Transfer 
1969; 91:100-104. 
[34]. Dasch CJ, One-dimensional tomography: a 
comparison of Abel, onion-peeling, and 
filtered backprojection methods, Appl. 
Optics 1992; 31: 1146-1152. 
[35]. Kobayashi Y, Furuhata T, Amagai K, Arai 
M, Soot precursor measurements in benzene 
and hexane diffusion flames, Combust. 
Flame 2008; 154: 346-355. 
[36]. Burke SP, Schumann TEW, Diffusion 
flames, Ind. Eng. Chem. 1928; 20: 998-
1004. 
[37]. Roper FG, The prediction of laminar jet 
diffusion flame sizes: Part I. theoretical 
model, Combust. Flame 1977; 29: 219-226. 
[38]. Olson DB, et al., The effects of molecular 
structure on soot formation II. Diffusion 
flames, Combust. Flame 1985; 62: 43-60. 
[39]. Glassman I, Yaccarino P, The effect of 
oxygen concentration on sooting diffusion 
flames, Combust. Sci. Tech. 1980; 24: 107-
114. 
[40]. Roper FG, et al, The prediction of laminar 
jet diffusion flame sizes: Part II. 
Experimental Verification, Combust. Flame 
1977; 29: 227-234.