环烷烃类物质在航空发动机燃烧中的宽范围动力学理论研究

Computational study on wide-range combustion kinetics is one of the important topics of the major research project “Fundamental research on turbulent combustion for engines”. It is the key foundation of the national strategic development plan of advanced aero-engine. In this project, we propose to study the combustion elementary reactions of monocyclic cycloalkanes and their derivatives (C5-C10), which are important constituents in aviation fuel, through high-level and fast MS-VTST/SS-QRRK computational method. All various possible factors affecting the accuracy of rate constant will be considered, such as the multistructural torsional anharmonicity, multidimensional tunneling, and high-frequency anharmonicity. The effects of different reaction sites, side-chains and radicals on the reaction rate will be probed. Path and product distributions and their pressure dependence will be analyzed. Finally, combustion kinetics of cycloalkanes in a wide temperature and pressure range will be investigated. The project will provide accurate and reliable thermal and kinetic fundamental data for the calculation of the combustion properties of larger molecules, combustion modeling studies, and solvation of the common scientific problems about the engine combustion. The project will also combine the experimental observations to improve the development of the combustion research in advanced aero-engine in China.

航空发动机燃烧中基元反应宽范围动力学的理论研究是“面向发动机的湍流燃烧基础研究”这个重大研究计划的核心问题之一，是解决先进发动机问题这一重大战略需求的研究基础。本项目拟选取航空碳氢燃料中的重要组分，单环环烷烃及其衍生物(C5-C10)为研究体系，采用精确、快速的MS-VTST/SS-QRRK方法，探索环烷烃类化合物的基元反应机制，比较不同反应位点、侧链、自由基对反应速率的影响，校正反应中的多结构效应、隧道效应、非谐效应，分析各反应路径和产物的分支比，从而系统的研究环烷烃类化合物在宽温度、宽压力范围内的燃烧反应动力学行为。该项目为计算较大分子的燃烧性质、建立宏观的燃烧模型乃至解决发动机燃烧的共性科学问题提供基础数据和理论支撑，为促进我国发动机燃烧研究水平的整体提升提供有力、可靠的保障。

航空发动机燃烧中基元反应宽范围动力学的理论研究是我国解决先进发动机问题这一重大战略需求的研究基础。本项目采用精确、快速的MS-VTST/SS-QRRK方法，紧密围绕航空燃料中的单环物质及其衍生物等重要组分，开展了深入系统的理论与计算研究工作。本项目凝炼解决了以下三点关键科学问题：(1) 运用量子化学方法，获得了多种燃料组分宽温度范围下微观层面的基础数据。本项目针对环戊烷、甲基环戊烷、苯等单环物质的氢提取反应进行了详尽的构象搜索，构建了精确的反应势能面，获得了宽压力范围下各反应路径的速率常数，揭示了不同位点的反应分支比。(2) 将MS-CVT/SCT理论与CCUS方法相结合，提高了低温区氢提取反应动力学数据的精度。本项目研究中引入了捕获速率校正，提高了低温区反应速率常数的计算水平，有效解决了在极低温度下过渡态理论高估反应速率常数的问题。(3) 使用SS-QRRK方法大大简化计算量，并揭示了上述研究体系在燃烧反应中强烈的压力依赖效应。SS-QRRK方法包含了直接动力学计算中的变分效应、隧穿效应和多结构扭转非谐性等多种校正，实现了与温度和压力同时相关的反应速率常数的计算。该项目研究结果为计算较大分子的燃烧性质、建立宏观的燃烧模型乃至解决发动机燃烧的共性科学问题提供了大量的基础数据和有价值的理论支撑，推动了航空燃料燃烧化学的发展，形成了独具特色的科学研究体系。三年内，本项目发表SCI论文6篇，晋升教授职称1人，培养硕士研究生5名、博士研究生1名，与美国明尼苏达大学双城分校Don Truhlar院士课题组建立了长期友好的合作关系，顺利完成了预定目标。