煤油裂解和点火过程动力学特性研究

在超燃发动机中采用吸热碳氢燃料是改进燃料点火和燃烧特性的有效途经。本项申请拟选取超燃发动机典型的应用碳氢燃料煤油为对象，对煤油热裂解和均相催化条件下的裂解过程进行激波管实验，获得裂解产物分布与裂解条件(温度、压力、催化剂)的关系，为预测吸热碳氢燃料的使用温度和热沉能力提供基础，并筛选高效的裂解催化剂。在此基础上，对不同裂解程度的裂解煤油的点火延时特性进行激波管实验，通过与未裂解煤油的对比，获得裂解条件对裂解煤油点火特性的影响规律，同时采用激光吸收法诊断点火过程中关键自由基浓度时间历史，为建立和验证裂解煤油燃烧反应动力学模型提供基础。为了更好地将燃料裂解特性应用于超燃发动机再生冷却热结构设计中，需要建立燃料裂解反应动力学模型。对煤油裂解过程在激波管条件下作一维反应流数值计算，以裂解产物分布实验结果为判别标准，简化、验证和改进煤油裂解反应动力学模型。

碳氢燃料燃烧反应机理是燃烧领域的热点问题。碳氢燃料在不同温度、压力的点火特性，为建立、验证和简化燃烧反应机理提供重要依据。超燃地面实验通过燃烧加热方式获得的高焓气流中含有H2O和CO2等污染组分，研究污染组分对碳氢燃料点火的影响，将为评估污染组分对发动机性能影响的天地换算提供基础。本项目选取超燃发动机重要碳氢燃料国产3号航空煤油和燃烧研究中重要模型燃料乙烯为对象，在超燃发动机工况的空气氧气浓度和较宽的点火压力范围，激波管实验研究了3号航煤和乙烯的点火特性以及污染物H2O和CO2存在时对其点火特性影响的污染效应。. 在总长10.3m、内经100mm的预加热激波管中，利用燃烧过程中OH、CH自由基特征发射光谱的急剧变化作为点火发生的标志，在空气氧气浓度并覆盖了较宽的压力范围0.5-¬22atm，进行激波管实验获得了3号航煤点火延时与温度﹑压力﹑当量比﹑燃料和氧化剂浓度等参数的依赖关系。在空气氧气浓度和压力2、7、12atm，获得了乙烯点火延时与温度﹑压力﹑当量比﹑燃料和氧化剂浓度等参数的依赖关系。在宽的压力范围，考察了3号航煤点火特性当量比依赖指数随压力的转变，从高压时+0.23转变为低压时-0.33。. 在煤油、乙烯点火特性研究基础上，分别考察了污染物H2O和CO2对煤油和乙烯点火特性的影响效应。结果发现：在一临界温度以下，H2O对煤油点火有促进作用，CO2对煤油点火有阻滞作用，这种促进和阻滞作用随着温度降低和污染物加入量增加更加明显；当H2O和CO2同时存在时，在贫油条件下（Φ＝0.5）污染组分表现出对煤油点火有轻微的阻滞作用。乙烯点火的污染效应结果表明：在化学当量比条件下（Φ＝1），H2O和CO2分别对乙烯点火具有阻滞作用；当H2O和CO2同时存在时，污染组分在较大温度范围内表现出对乙烯点火的阻滞作用。从链反应机理和热力学和输运特性的角度初步讨论了实验结果。. 激波管点火实验中常用的稀释气体是Ar，发动机实际来流为空气。为了获取惰性稀释气体对碳氢燃料点火特性的影响效应，本项目还选取异辛烷、甲烷、煤油三种碳氢燃料，在Ar和N2稀释条件下进行激波管点火对比实验。结果显示：煤油点火延时时间在N2气稀释条件下比在Ar气稀释条件更短，并且随温度升高差异更明显。研究还表明，稀释剂对不同碳氢燃料点火特性的影响是不同的，也随稀释度的不同有变化。