RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

鄭 東 于維銘, 鐘北京,*(清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京00084;北京汽車集團(tuán)產(chǎn)業(yè)投資有限公司,北京000)

[Article]

RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

鄭 東1于維銘1,2鐘北京1,*
(1清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084;2北京汽車集團(tuán)產(chǎn)業(yè)投資有限公司,北京100021)

本文提出了40%(摩爾分?jǐn)?shù),下同)正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環(huán)己烷和5%對(duì)二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了替代燃料模型與實(shí)際RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.采用對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,測(cè)量了RP-3航空煤油以及四組分替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?對(duì)比結(jié)果表明本文提出的替代燃料能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際RP-3航空煤油的燃燒速率.進(jìn)一步發(fā)展了包含168組分、1089反應(yīng)的半詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,驗(yàn)證結(jié)果表明本文機(jī)理能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)RP-3航空煤油著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣?

RP-3航空煤油;替代燃燒;反應(yīng)機(jī)理;火焰?zhèn)鞑ニ俣?對(duì)沖火焰

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃油的著火和燃燒過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的湍流化學(xué)反應(yīng)過(guò)程.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)存在燃燒不穩(wěn)定性,以及高密度、高稀釋度、超稀薄、高馬赫數(shù)等極端條件下點(diǎn)火困難等問(wèn)題,都與燃燒室內(nèi)復(fù)雜的湍流燃燒過(guò)程密切相關(guān).湍流燃燒問(wèn)題的核心是湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用.要研究湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用,燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是基礎(chǔ).因此發(fā)展航空煤油化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于深入理解航空發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒機(jī)制,闡明湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用機(jī)理具有極其重要的理論和實(shí)際意義.

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

航空煤油是C7-C16大分子碳?xì)鋸?fù)雜烴類的混合物,包含鏈烷烴(直鏈烷烴與支鏈烷烴)、環(huán)烷烴以及芳香烴等成百上千種組分.2由于原油產(chǎn)地、加工工藝以及添加劑的不同,各國(guó)、各型號(hào)、甚至各批次的航空煤油的組分也不盡相同.圖1給出了歐美常用的航空煤油JP-8、Jet-A,以及國(guó)產(chǎn)航空煤油RP-3不同烴類的構(gòu)成比例.2-4由圖可見(jiàn),國(guó)內(nèi)外不同型號(hào)航空煤油的烴類構(gòu)成比例存在較大差異,其具體的組分構(gòu)成差別就更明顯了.鑒于航空煤油成分的復(fù)雜性,無(wú)法針對(duì)某種航空煤油直接構(gòu)建其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.行之有效的方法是從復(fù)雜的航空煤油中選取一種或幾種具有代表性的成分作為航空煤油替代燃料的組分,進(jìn)而構(gòu)建其詳細(xì)替代燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.這也是研究汽油、柴油等大分子碳?xì)鋸?fù)雜燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的慣用做法.5-7表1列舉了目前部分常見(jiàn)的國(guó)內(nèi)外航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.8-14

圖1 JP-8,Jet-A和RP-3烴類組成Fig.1 Molecularclass compositions of JP-8,Jet-A,and RP-3

表1 航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型Table 1 Aviation kerosene surrogate fuels and chemical reaction kinetic models

單組分的正癸烷或者正十二烷是最簡(jiǎn)單的航空煤油替代燃料,Dagaut等8在攪拌反應(yīng)器(JSR)中研究了Jet-A和正癸烷的氧化特性,發(fā)展了包含90組分和573反應(yīng)的正癸烷反應(yīng)機(jī)理作為Jet-A替代燃料的反應(yīng)機(jī)理.隨后許多研究者提出了包含鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴的多組分航空煤油Jet-A和JP-8替代燃料,并發(fā)展了相應(yīng)的詳細(xì)和簡(jiǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,其規(guī)模從上百組分到幾千組分不等.9-12國(guó)內(nèi)對(duì)于多組分RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究還比較少.肖保國(guó)等13提出了一個(gè)79% (摩爾分?jǐn)?shù),下同)正癸烷、13%三甲基環(huán)己烷和8%乙基苯的三組分RP-3航空煤油替代燃料模型(近似分子式C9.71H20.52),并發(fā)展了包含109組分和946反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型.曾文等14在Dagaut三組分Jet-A替代燃料模型15的基礎(chǔ)上,提出由65%(體積分?jǐn)?shù))正癸烷、10%甲苯、25%丙基環(huán)己烷組成的三組分RP-3航空煤油替代燃料模型,相應(yīng)地發(fā)展了150組分和591反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型.

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn),國(guó)產(chǎn)RP-3航空煤油替代燃料及其反應(yīng)機(jī)理的研究與國(guó)外存在較大差距.國(guó)內(nèi)鮮有的幾個(gè)多組分替代模型均是基于物理特性或是參考國(guó)外模型發(fā)展的,其平均碳原子數(shù)與實(shí)際國(guó)產(chǎn)航空煤油相差較大,而且其反應(yīng)機(jī)理的驗(yàn)證也不夠充分.能否描述國(guó)產(chǎn)RP-3航空煤油的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性尚需進(jìn)一步研究.因此,本文在考慮RP-3航空煤油組成成分、物理特性和化學(xué)特性的基礎(chǔ)上,提出一個(gè)能夠描述實(shí)際RP-3理化特性的多組分替代燃料,通過(guò)測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行驗(yàn)證.進(jìn)而發(fā)展相應(yīng)的半詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,并驗(yàn)證其著火和燃燒特性.

2 RP-3航空煤油替代燃料模型

2.1 RP-3航空煤油成分和物理特性分析

Edwards和Maurice16建議預(yù)測(cè)實(shí)際燃油物理特性和著火、燃燒、污染物生成等化學(xué)特性的替代燃料應(yīng)采用多組分,而且其組分要與實(shí)際燃油的重要成分相匹配.我們首先對(duì)RP-3航空煤油的組成成分進(jìn)行詳細(xì)分析.RP-3航空煤油樣品來(lái)自于中石化北京燕山石油化工分公司,通過(guò)色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀確定樣品中含量最大的前100種組分及其相對(duì)體積分?jǐn)?shù).根據(jù)GC-MS分析結(jié)果,國(guó)產(chǎn)航空煤油RP-3的不同烴類體積分?jǐn)?shù)如圖2所示.其中比例最高的是鏈烷烴為53.0%,平均碳原子數(shù)為10.8.其次是環(huán)烷烴為37.7%,平均碳原子數(shù)為10.2.而芳香烴含量只有4.6%,低于國(guó)外JP-8和Jet-A航空煤油.

圖2 GC-MS分析RP-3的成分組成(體積分?jǐn)?shù))Fig.2 Molecular class compositions(volume fraction)of RP-3 as identified by gas chromatography-mass spectrometer(GC-MS)analysis

表2 RP-3物理特性分析結(jié)果Table 2 Analysis results for RP-3 physical properties

然后對(duì)RP-3的一些基本的物理特性進(jìn)行了分析.表2給出了本文測(cè)量的結(jié)果和文獻(xiàn)17中給出的一些物理特性.由表2可見(jiàn),本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果較為一致,但也存在一定差異.除了測(cè)量誤差外,主要的原因可能是實(shí)驗(yàn)中所采用的RP-3樣品來(lái)自不同產(chǎn)品批次.

2.2 RP-3航空煤油替代燃料模型

發(fā)展一個(gè)多組分RP-3航空煤油替代燃料模型,首先要確定其代表性組分.本文選取代表性組分的兩個(gè)原則是:其一,代表性組分在實(shí)際航空煤油中含量較高,或者能夠綜合反映實(shí)際航空煤油中這種烴類所有組分的平均特性.其二,代表性組分的理化特性與實(shí)際航空煤油接近,或者通過(guò)與其它烴類代表性組分調(diào)配所得到的混合燃料的理化特性與實(shí)際航空煤油接近.首先,由上述成分分析可知, RP-3航空煤油中鏈烷烴比例最高,對(duì)航空煤油理化特性的影響也很大.因此我們選擇正癸烷和正十二烷兩種成分作為RP-3航空煤油鏈烷烴的代表性組分.這樣的選擇一方面是因?yàn)槭樘荚訑?shù)較高,容易與正癸烷調(diào)配出與實(shí)際燃油中比較接近的鏈烷烴平均碳原子數(shù);另一方面是因?yàn)檎榈恼扯群驼舭l(fā)溫度與實(shí)際航空煤油相匹配(見(jiàn)表3).其次,考慮到乙基環(huán)己烷的碳原子數(shù)比甲基環(huán)己烷多,而且乙基環(huán)己烷的密度與RP-3很接近(見(jiàn)表3),因此選擇乙基環(huán)己烷作為RP-3航空煤油環(huán)烷烴的代表性組分.雖然芳香烴類物質(zhì)在RP-3中所占比例不高,但其對(duì)實(shí)際航空煤油的著火與污染物排放有較大影響.相對(duì)于甲苯而言對(duì)二甲苯的碳原子數(shù)較多,且其密度較大(見(jiàn)表3).因此選擇對(duì)二甲苯作為RP-3航空煤油芳香烴的代表性組分.對(duì)二甲苯的加入可以使得替代燃料的密度與RP-3航空煤油密度更接近.由于烯烴和醇類物質(zhì)在RP-3航空煤油的含量較少,現(xiàn)有的航空煤油替代燃料均舍棄這些成分(見(jiàn)表1),因此本文也未考慮這兩種成分.最終本文選擇正癸烷、正十二烷、乙基環(huán)己烷和對(duì)二甲苯四種組分作為RP-3航空煤油的代表性組分,其特性參數(shù)如表3所示.

表3 RP-3代表性組分特性參數(shù)Table 3 Property parameters of the representative species of RP-3

確定了RP-3航空煤油的代表性組分后,我們進(jìn)一步需要確定四種代表性組分的比例.方法是:選取實(shí)際燃料重要的理化特性參數(shù),通過(guò)優(yōu)化各代表性組分的比例,使得替代燃料的理化特性參數(shù)值與對(duì)應(yīng)所選取的實(shí)際燃料的特性參數(shù)值相匹配,從而確定替代燃料各組分的比例.由于氣相燃料的擴(kuò)散特性取決于其分子量,18為了能夠再現(xiàn)實(shí)際航空煤油在氣相燃燒中的擴(kuò)散特性,替代燃料的平均分子量應(yīng)該接近實(shí)際燃料的平均分子量;碳?xì)浔确从沉巳紵晌镏蠧O2和H2O的比例,決定了燃料反應(yīng)生成焓以及絕熱火焰溫度.而絕熱火焰溫度與燃燒速率以及其它燃燒現(xiàn)象密切相關(guān).4換而言之,碳?xì)浔仁欠磻?yīng)燃料燃燒速率以及其它燃燒現(xiàn)象的重要特性參數(shù);在兩相流燃燒中,密度和粘度對(duì)于燃料的霧化、蒸發(fā)過(guò)程有較大影響,為了能夠描述實(shí)際航空煤油在兩相流燃燒中燃料的霧化、蒸發(fā)過(guò)程,替代燃料的密度和粘度應(yīng)該與實(shí)際燃料相匹配.因此選擇平均分子量、碳?xì)浔?、密度以及粘度為所要匹配的理化特性參?shù).采用試驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最終確定了正癸烷、正十二烷、乙基環(huán)己烷和對(duì)二甲苯四種組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為40%、42%、13%和5%.

將本文提出的摩爾分?jǐn)?shù)分別為40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環(huán)己烷和5%對(duì)二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料的理化特性進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算,并與實(shí)際RP-3航空煤油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示.由表2可見(jiàn),本文提出的四組分RP-3航空煤油替代燃料的平均分子式、平均分子量、碳?xì)浔取⒚芏?、粘度以及蒸發(fā)溫度均與實(shí)際RP-3航空煤油相近.

3 航空煤油及其替代燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h2>

在上一節(jié)中,我們提出了四組分RP-3航空煤油替代燃料,并通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了部分理化特性參數(shù)與實(shí)際RP-3航空煤油的相似性.本節(jié)我們將進(jìn)一步驗(yàn)證替代燃料和實(shí)際RP-3航空煤油燃燒特性的相似性.眾所周知,火焰?zhèn)鞑ニ俣仁潜碚魅剂先紵匦缘闹匾獏?shù),因此,我們將通過(guò)對(duì)比替代燃料和實(shí)際RP-3航空煤油的火焰?zhèn)鞑ニ俣葋?lái)驗(yàn)證它們?nèi)紵匦缘南嗨菩?

四組分RP-3航空煤油替代燃料和實(shí)際RP-3航空煤油與空氣預(yù)混氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔捎脤?duì)沖火焰進(jìn)行測(cè)量.圖3所示為液體對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的示意圖,主要包括燃料輸送系統(tǒng)、空氣輸送系統(tǒng)、空氣加熱裝置、燃料與高溫空氣混合裝置、混合氣輸送系統(tǒng)、示蹤粒子裝置、噴嘴系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等.空氣經(jīng)過(guò)流量計(jì),進(jìn)入預(yù)熱器加熱至預(yù)設(shè)溫度,而后送至混合裝置.與此同時(shí)燃料經(jīng)由注射泵,送入混合裝置.燃料在混合裝置中迅速蒸發(fā),并與空氣充分混合,形成均勻的預(yù)混氣.預(yù)混氣通過(guò)配氣管路,均勻送至上下兩個(gè)對(duì)稱布置的噴嘴.在離噴嘴一定距離處著火燃燒,形成穩(wěn)定的對(duì)沖火焰.通過(guò)三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀,測(cè)得對(duì)沖火焰中心軸線的速度分布,進(jìn)而獲得某一拉伸率下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?然后通過(guò)線性外推,即可得到無(wú)拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?19

圖3 液體燃料對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of counterflow twin-flame configuration for liquid fuels

實(shí)驗(yàn)條件如下:0.1 MPa,燃料/空氣預(yù)混氣初溫設(shè)定為403 K,燃料流量范圍為67.9-238 mL·h-1,空氣流速范圍為0.88-1.44 m3·h-1,化學(xué)計(jì)量比范圍為0.7-1.4.實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析方法詳情參考文獻(xiàn).19圖4給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的四組分RP-3航空煤油替代燃料/空氣和實(shí)際RP-3航空煤油/空氣預(yù)混氣在不同化學(xué)計(jì)量比下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?由圖4可知,在工況相同的情況下,在化學(xué)計(jì)量比0.9-1.3的范圍內(nèi),替代燃料和RP-3煤油的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔顒e不大,化學(xué)計(jì)量比小于0.9和大于1.3時(shí),替代燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷孕∮赗P-3煤油.考慮到實(shí)驗(yàn)上的誤差,可以認(rèn)為在預(yù)混氣相同壓力和初始溫度下,四組分替代燃料和RP-3煤油具有相同的火焰?zhèn)鞑ニ俣?說(shuō)明兩者的燃燒特性非常相似.

圖4 替代燃料和實(shí)際RP-3火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)量結(jié)果Fig.4 Experimental laminar flame speeds of surrogate fuels and real RP-3

4 替代燃料詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及其驗(yàn)證

4.1 RP-3替代燃料詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建

我們依據(jù)上述提出的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型構(gòu)建其半詳細(xì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.由于替代燃料模型中代表性組分均為大分子碳?xì)淙剂?其C3以下反應(yīng)機(jī)理(核心機(jī)理)基本一致,因此構(gòu)建多組分機(jī)理即發(fā)展通用性好的核心機(jī)理和代表性組分的子機(jī)理.這樣所有代表性組分子機(jī)理與核心機(jī)理整合,就得到多組分航空煤油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.

由于小分子碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理得到廣泛的研究,其中Wang等20發(fā)展的USC-Mech II是一個(gè)得到普遍應(yīng)用和廣泛認(rèn)可的小分子碳?xì)淙剂戏磻?yīng)機(jī)理.該機(jī)理包含了H2/CO/C1-C4詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理,由111組分、784反應(yīng)組成.并經(jīng)過(guò)著火延遲時(shí)間、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约盎鹧娼Y(jié)構(gòu)等大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.因此本文直接采用USC-Mech II作為核心機(jī)理.

因此,本文的主要工作是在核心機(jī)理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步構(gòu)建替代燃料模型中大分子碳?xì)浣M分的子機(jī)理.首先,針對(duì)鏈烷烴代表性組分正癸烷和正十二烷,從高、低溫兩個(gè)方面進(jìn)行子機(jī)理的構(gòu)建. You等21以USC-Mech II為核心機(jī)理構(gòu)建了包含正癸烷和正十二烷的反應(yīng)機(jī)理,并對(duì)高溫條件下的著火延遲時(shí)間、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、組分分布進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證.鑒于該機(jī)理采用的核心機(jī)理與本文相同,而且能夠準(zhǔn)確描述高溫氧化過(guò)程.因此,本文通過(guò)反應(yīng)路徑和靈敏度分析(零維均質(zhì)模型,初始溫度1200 K),提取出其C12/C10-C4高溫氧化過(guò)程的重要反應(yīng)路徑及其主要基元反應(yīng),即構(gòu)成了本文正癸烷和正十二烷高溫反應(yīng)的子機(jī)理.低溫子機(jī)理考慮如圖5所示的集總反應(yīng)過(guò)程,對(duì)應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)源于Jia等22的正辛烷到正十六烷反應(yīng)機(jī)理.

其次,對(duì)于環(huán)烷烴代表性組分乙基環(huán)己烷,采用上述相同的分析方法,從Sirjean等23發(fā)展的包含352組分、2083反應(yīng)的JetSurF 1.1詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理中提取出乙基環(huán)己烷的重要氧化反應(yīng)路徑及其主要基元反應(yīng),即構(gòu)成乙基環(huán)己烷氧化過(guò)程的子機(jī)理.

最后,對(duì)于芳香烴代表性組分對(duì)二甲苯,則以先前發(fā)展的多組分汽油替代燃料反應(yīng)機(jī)理24,25中甲苯機(jī)理為基礎(chǔ),添加對(duì)二甲苯氧化裂解至甲苯、苯、乙基苯的反應(yīng)機(jī)理.即構(gòu)成對(duì)二甲苯氧化機(jī)理.添加部分的機(jī)理主要來(lái)源于李玉陽(yáng)26發(fā)展的低壓預(yù)混火焰中對(duì)二甲苯氧化、裂解反應(yīng)機(jī)理,以及Gail和Dagaut27提出的攪拌反應(yīng)器中對(duì)二甲苯的氧化機(jī)理.

至此,本文構(gòu)建了正癸烷、正十二烷、乙基環(huán)己烷和對(duì)二甲苯四種組分的反應(yīng)子機(jī)理(見(jiàn)Supporting Information),通過(guò)與核心機(jī)理進(jìn)行整合,并剔除冗余或重復(fù)的組分和反應(yīng),最終得到一個(gè)包含168組分和1089反應(yīng)的多組分RP-3航空煤油替代燃料的半詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,其合理性的驗(yàn)證見(jiàn)下一節(jié).

圖5 低溫氧化過(guò)程集總反應(yīng)機(jī)理Fig.5 Lumped kinetic scheme of the low-temperature oxidation reactions ket:ketohydroperoxide

圖6 計(jì)算的RP-3航空煤油和替代燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Comparison of experimental and calculated laminar flame speeds of RP-3 aviation kerosene and surrogate fuels

圖7 不同初始溫度下計(jì)算的RP-3航空煤油著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.7 Comparison of experimental and calculated ignition delay times of RP-3 aviation kerosene at different initial temperatures

4.2 RP-3替代燃料詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理驗(yàn)證

一個(gè)反應(yīng)機(jī)理有效性的重要標(biāo)志之一就是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣?本文依據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)比較了RP-3航空煤油的著火延遲時(shí)間、火焰?zhèn)鞑ニ俣?計(jì)算是在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序CHEMKIN28上完成的.對(duì)于著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算,分別采用零維均質(zhì)模型和一維預(yù)混火焰模型.

圖6對(duì)比了初始?jí)毫?.1 MPa、溫度為403 K、化學(xué)計(jì)量比范圍為0.7-1.4時(shí)計(jì)算的RP-3航空煤油替代燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c本文的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值.由圖6可以看出,本文半詳細(xì)機(jī)理能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)RP-3替代燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?并能很好地描述實(shí)際RP-3航空煤油的燃燒速率.

曾文等14利用激波管實(shí)驗(yàn)臺(tái)架詳細(xì)測(cè)量了不同初始?jí)毫Α⒒瘜W(xué)計(jì)量比下,RP-3著火延遲時(shí)間隨溫度的變化曲線.圖7給出了本文機(jī)理預(yù)測(cè)的RP-3著火延遲時(shí)間,并與曾文等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.由圖7可見(jiàn),化學(xué)計(jì)量比為0.5時(shí),本文機(jī)理預(yù)測(cè)的RP-3著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值一致.而化學(xué)計(jì)量比為1.0時(shí),本文機(jī)理的計(jì)算結(jié)果略小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值.但總體而言,本文機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際RP-3航空煤油的著火延遲時(shí)間,反映了實(shí)際RP-3航空煤油的著火特性.與此同時(shí),也間接反映了四組分替代燃料模型能夠預(yù)測(cè)實(shí)際RP-3航空煤油的著火特性.

5 結(jié)論

以國(guó)產(chǎn)航空煤油為對(duì)象,提出了摩爾分?jǐn)?shù)分別為40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環(huán)己烷和5%對(duì)二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了替代燃料模型與實(shí)際RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.

采用對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,測(cè)量了不同化學(xué)計(jì)量比下RP-3航空煤油、以及本文提出的四組分替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?對(duì)比結(jié)果表明本文提出的替代燃料能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際RP-3航空煤油的燃燒速率.

在四組分替代燃料模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了包含168組分、1089反應(yīng)的半詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,并用著火延時(shí)間和火焰?zhèn)魉俣葘?duì)機(jī)理進(jìn)行了充分驗(yàn)證.驗(yàn)證結(jié)果表明本文的反應(yīng)機(jī)理能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)RP-3航空煤油的著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣?較好地預(yù)測(cè)RP-3航空煤油著火和燃燒特性.

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References

(1) Ma,H.A.;Jie,M.Z.;Zeng,W.;Chen,X.X.Journal of Aerospace Power 2013,28(3),1139.[馬洪安,解茂昭,曾 文,陳瀟瀟.航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2013,28(3),1139.]

(2) Fan,X.J.;Yu,G.Journal of Propulsion Technology 2006,27 (2),187.[范學(xué)軍,俞 剛.推進(jìn)技術(shù),2006,27(2),187.]

(3) Violi,A.;Yan,S.;Eddings,E.G.;Sarofim,A.F.;Granata,S.; Faravelli,T.;Ranzi,E.Combustion Science and Technology 2002,174(11-12),399.doi:10.1080/00102200215080

(4) Dooley,S.;Won,S.H.;Heyne,J.;Farouk,T.I.;Ju,Y.;Dryer,F. L.;Kumar,K.;Hui,X.;Sung,C.J.;Wang,H.;Oehlschlaeger, M.A.;Iyer,V.;Iyer,S.;Litzinger,T.A.;Santoro,R.J.; Malewicki,T.;Brezinsky,K.Combustion and Flame 2012,159 (4),1444.doi:10.1016/j.combustflame.2011.11.002

(5) Zheng,D.;Zhong,B.J.Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28(9), 2029. [鄭 東,鐘北京.物理化學(xué)學(xué)報(bào).2012,28(9),2029.] doi:10.3866/PKU.WHXB201207042

(6) Pitz,W.J.;Cernansky,N.P.;Dryer,F.L.;Egolfopoulos,F.N.; Farrell,J.T.;Friend,D.G.;Pitsch,H.SAE Technical Paper 2007-01-0175,2007.doi:10.4271/2007-01-0175

(7) Pitz,W.J.;Mueller,C.J.Progress in Energy and Combustion Science 2011,37(3),330.doi:10.1016/j.pecs.2010.06.004

(8) Dagaut,P.;Reuillon,M.;Boettner,J.C.;Cathonnet,M. Symposium(International)on Combustion 1994,25(1),919. doi:10.1016/S0082-0784(06)80727-7

(9) Dooley,S.;Won,S.H.;Chaos,M.;Heyne,J.;Ju,Y.;Dryer,F. L.;Kumar,K.;Sung,C.J.;Wang,H.;Oehlschlaeger,M.A.; Santoro,R.J.;Litzinger,T.A.Combustion and Flame 2010,157 (12),2333.doi:10.1016/j.combustflame.2010.07.001

(10) Guéret,C.;Cathonnet,M.;Boettner,J.C.;Gaillard,F. Symposium(International)on Combustion 1991,23(1),211. doi:10.1016/S0082-0784(06)80261-4

(11) Montgomery,C.;Cannon,S.;Mawid,M.;Sekar,B.Reduced Chemical Kinetic Mechanisms for JP-8 Combustion.In 40th AIAAAerospace Sciences Meeting&Exhibit,Aerospace Sciences Meetings,Reno,Nevada,USA.Jan 14-17,2002; AIAAMember,Ed.;American Institute ofAeronautics and Astronautics:Reston,VA,2002.doi:10.2514/6.2002-336

(12) Malewicki,T.;Gudiyella,S.;Brezinsky,K.Combustion and Flame 2013,160(1),17.doi:10.1016/j.combustflame. 2012.09.013

(13) Xiao,B.G.;Yang,S.H.;Zhao,H.Y.;Qian,W.Q.;Le,J.L. Journal of Aerospace Power 2010,25(9),1948.[肖保國(guó),楊順華,趙慧勇,錢(qián)煒祺,樂(lè)嘉陵.航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2010,25(9), 1948.]

(14) Zeng,W.;Li,H.X.;Ma,H.A.;Liang,S.;Cheng,B.D.Journal of Propulsion Technology 2014,35(8),1139. [曾 文,李海霞,馬洪安,梁 雙,陳保東.推進(jìn)技術(shù),2014,35(8),1139.]

(15) Dagaut,P.Physical Chemistry Chemical Physics 2002,4(11), 2079.doi:10.1039/b110787a

(16) Edwards,T.;Maurice,L.Q.Journal of Propulsion and Power 2001,17(2),461.doi:10.2514/2.5765

(17) Zhu,Y.H.;Yu,C.X.;Li,Z.M.;Mi,Z.T.;Zhang,X.W. Petrochemical Technology 2006,35(12),1152.[朱玉紅,余彩香,李子木,米鎮(zhèn)濤,張香文.石油化工,2006,35(12),1152.]

(18) Holley,A.T.;You,X.Q.;Dames,E.;Wang,H.;Egolfopoulos, F.N.Proceedings of the Combustion Institute 2009,32(1), 1157.doi:10.1016/j.proci.2008.05.067

(19) Yu,W.M.;Zhong,B.J.;Yuan,Z.;Wang,G.Z.Journal of Propulsion Technology 2014,35(1),70.[于維銘,鐘北京,袁振,王治國(guó).推進(jìn)技術(shù),2014,35(1),70.]

(20) Wang,H.;You,X.;Joshi,A.V.;Davis,S.G.;Laskin,A.; Egolfopoulos,F.;Chung K.L.High-Temperature Combustion Reaction Model of H2/CO/C1-C4Compounds.http://ignis.usc. edu/USC_Mech_II.htm(accessed Oct 1,2014).

(21) You,X.;Egolfopoulos,F.N.;Wang,H.Proceedings of the Combustion Institute 2009,32(1),403.doi:10.1016/j. proci.2008.06.041

(22) Chang,Y.;Jia,M.;Liu,Y.;Li,Y.;Xie,M.;Yin,H.Energy& Fuels 2013,27(6),3467.doi:10.1021/ef400460d

(23) Sirjean,B.;Dames,E.;Sheen,D.A.;Egolfopoulos,F.N.; Wang,H.;Davidson,D.F.;Hanson,R.K.;Pitsch,H.;Bowman, C.T.;Law,C.K.;Tsang,W.;Cernansky,N.P.;Miller,D.L.; Violi,A.;Lindstedt,R.P.AHigh-Temperature Chemical Kinetic Model of n-Alkane,Cyclohexane,and Methyl-,Ethyl-, n-Propyl and n-Butyl-cyclohexane Oxidation at High Temperatures,JetSurF version 1.1.http://melchior.usc.edu/ JetSurF/JetSurF1.1(accessed Oct 1,2014).

(24) Zhong,B.J.;Zheng,D.Fuel 2014,128(15),458.

(25) Zheng,D.;Zhang,Y.P.;Zhong,B.J.Acta Phys.-Chim.Sin. 2013,29(6),1154.[鄭 東,張?jiān)迄i,鐘北京.物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2013,29(6),1154.]doi:10.3866/PKU.WHXB201303201

(26) Li,Y.Y.Experimental and Kinetic Modeling Study of Premixed Aromatic Hydrocarbon Flames at Low Pressure.Ph.D. Dissertation,University of Science and Technology of China, Hefei,2010.[李玉陽(yáng).芳烴燃料低壓預(yù)混火焰的實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)模型研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.]

(27) Ga?l,S.;Dagaut,P.Combustion and Flame 2005,141(3),281. doi:10.1016/j.combustflame.2004.12.020

(28) Kee,R.J.;Rupley,F.M.;Miller,J.A.CHEMKIN Release 4.1; Reaction Design:San Diego,CA.2006.

RP-3 Aviation Kerosene Surrogate Fuel and the Chemical Reaction Kinetic Model

ZHENG Dong1YU Wei-Ming1,2ZHONG Bei-Jing1,*
(1School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China;2BAIC Group Industrial Investment Co.,Ltd.,Beijing 100021,P.R.China)

A four-component RP-3 aviation kerosene surrogate fuel,comprising 40%n-decane/42%ndodecane/13%ethycyclohexane/5%p-xylene(molar fraction),was presented.Experiments showed the physical and chemical similarity of the surrogate fuel to the real RP-3.Counterflow,twin-flame experiments were used to determine the laminar flame speeds of both the real and the surrogate fuel and showed that the surrogate fuel accurately modeled the burning rate of real RP-3.Asemi-detailed chemical reaction mechanism for ignition and oxidation of the RP-3 surrogate fuel that consists of 168 species and 1089 elementary reactions has been developed.Experimental results validate the model and highlight its ability to accurately predict the ignition delay times and laminar flame speeds of real RP-3.

RP-3 aviation kerosene;Surrogate fuel;Reaction mechanism;Laminar flame speed; Counter-flow flame

O643

10.3866/PKU.WHXB201501231www.whxb.pku.edu.cn

Rceived:October 13,2014;Revised:January 22,2015;Published on Web:January 23,2015.

?Corresponding author.Email:zhongbj@tsinghua.edu.cn;Tel:+86-10-62772928.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(91441113).

國(guó)家自然科學(xué)基金(91441113)資助項(xiàng)目