碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

碳氢燃料燃烧反应机理的构建是近空间飞行器超燃发动机计算流体力学设计的必要条件，我国在此方面基础研究相当薄弱。本项目研究内容包括：结合数据挖掘和量子化学计算，在微观层次上研究复杂反应，构建高精度碳氢燃料动力学和热力学数据库；考察和评价高碳烃反应类型，构建复杂机理网络，开发燃烧反应机理自动生成等计算机软件；构建典型高碳烃和煤油多组分替代物的热裂解和燃烧详细反应机理; 结合化学简化和数学简化法实现复杂机理的简化;用反射激波点火延迟实验和自由基发射光谱实验研究和验证燃烧机理；采用简单计算流体力学模拟优化动力学模型。通过理论化学、化学动力学、物理力学和计算流体力学的交叉研究，构建自主的碳氢燃料反应基础数据库和机理生成软件，从基元反应出发考察燃烧对湍流结构的影响，构建发动机设计的燃烧机理基础研究平台，改变我国在燃烧基础研究领域相对落后的现状，提升我国在航空发动机设计应用方面的创新能力。

本项目的研究目标是实现单组分高碳碳氢化合物和煤油多组分替代物的热裂解和燃烧详细反应机理生成和机理简化，通过反射激波点火延迟实验、典型自由基发射光谱实验和简单计算流体力学模拟，验证和优化动力学模型，构建超燃冲压发动机、航空发动机设计的燃烧机理平台，提升我国在燃烧反应动力学模拟研究方面的创新能力。.本项目取得了以下主要结果：（1）构建了我国第一套燃烧机理自动生成程序Reaxgen(国家版权局著作权登记证号：2011SR025157)；（2）得到了热力学参数与动力学参数数据库，编制了数据库管理等软件，发展了大分子热力学参数与反应动力学参数计算方法；（3）基于机理自动生成程序和数据库，构建了多种链烷烃、环烷烃和航空替代燃料的裂解和燃烧详细机理；（4）测量到了多个单组分燃料燃烧过程中中间产物自由基在微秒量级的瞬态发射光谱，经光谱分析和指认确认了燃烧过程中的重要小自由基是OH、CH和C2；将测量的单组分燃料和航空替代燃料点火延迟结果与燃烧机理模拟结果进行对比，证明了自主构建反应机理的可靠性，达到了预期精度；（5）开发了碳氢燃料燃烧反应动力学机理自动简化软件ReaxRed1.0（中国计算机软件著作权登记号：2014SR052906），实现了详细机理到框架机理、框架机理到全局简化机理的系统简化。该方法被用于国产RP-3的燃烧机理简化并获得了包含26个组分21步总包反应的的全局简化机理，该机理被用于发动机的设计，并简化了一系列单组分裂解和燃烧详细机理；（6）燃烧机理的超声速燃烧仿真；（7）燃烧室内超声速燃烧流场RANS方程计算程序开发。此外，我们还建立了（8）碳氢燃料的亚临界裂解新方法，（9）燃料高温裂解气热物性测定新方法，为超声速条件下碳氢燃料的裂解和燃烧特性的研究奠定了基础。.到目前为止，已在《Combustion and Flame》、《Energy & Fuels》、《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》、《Proceedings of the Combustion Institute》、《Journal of Physical Chemistry A》等国内外重要刊物上发表38篇论文，并培养博士后1名，博士研究生9人（已毕业5人），硕士生15人(已毕业12人)。该研究已经按预定计划很好地完成，达到了项目的预期目标。