碳氢燃料裂解反应机理及高温热物性研究

The measurement of thermal properites and mechanism construction under supercritical condition for endothermic hydrocarbon fuels is essential for scramjet design. The domestic research in this area is relatively weak. Targeted to the complex phase transformation and cracking reactions occurred in the small pipe under high temperature and pressure condition, this proposal involves the following aspects: Establish a novel method and standard specification for heat sink measurement which independently measure physical and chemical heat sink according to the properties of thermodynamic state functions and the Hess’s law; Develop online method for determination of medium density and velocity that including the development of small orifice flowmeter and the simultaneous measurement of mass flow rate and orifice pressure signal, finally obtain the residence time of fuel based on the velocity distribution; Build the detailed pyrolysis mechanism of aviation fuel, develop program to realzie the simplification of mechanism, obtain a simplified model suitable for three-dimensional CFD, serve the heat exchanger design of renewable cooling process; Obtain thermal parameters through kinetic simulation, optimize the mechanism by comparison with experimental values. The research achievements will provide theoretical and experimental foundation for scramjet regenerative cooling design.

吸热型碳氢燃料超临界裂解热物性的测试和机理构建是超燃冲压发动机合理设计热管理方案，保证足够飞行动力的必要条件，目前国内在此方面的研究基础相对薄弱。针对高温高压条件下小孔径管道中发生的复杂相变和裂解反应过程，本项目的研究内容包括：根据热力学状态函数性质和盖斯定理，构建一套碳氢燃料裂解物理和化学热沉独立测定的新方法和相应规范；同步测定冷态条件下的质量流量和高温条件下的孔板差压信号，开发一种小口径孔板装置和高温裂解过程介质密度和流速的在线测定方法，进而根据流速分布可积分燃料在冷却通道内的驻留时间；构建航空燃料的裂解详细反应机理，建立算法实现详细机理的简化，获得适用于计算流体力学三维仿真的简化模型，服务于再生冷却过程换热设计；采用动力学方法模拟燃料的各种热物性参数，并与热物性实验相验证。研究成果将为超燃发动机再生冷却设计提供理论和实验依据.

根据热力学基本原理和盖斯定理，建立了在线/离线相结合的燃料热沉测量新方法，该方法的主要优点是能按热化学定义严格区分物理热沉和化学热沉，数据可迁性强。我们首次发现了500到600℃之间的负化学热沉现象，实验分析和理论模拟分析这是由于燃料的物理团聚所导致。测定结果表明，燃料的热沉贡献由物理热沉和化学热沉产生，在低温段（<600℃），由于没有化学反应的发生，所以热沉主要由物理热沉提供，随着进一步温度的升高（>650℃），化学热沉产生，并且随温度的升高显著增加，而此时的物理热沉依然是相同的增加斜率。因此，要实现燃料的高热沉，应该要充分发挥燃料的化学热沉，也就是说要充分了解燃料裂解的化学反应，提高燃料的裂解反应，拓宽燃料的使用温度，提高燃料的化学热沉。.结合成熟的冷态质量流量测量和孔板取压方法，发展了燃料高温裂解气密度测量方法,并应用于航空煤油在微通道细管内高温裂解气的流速和密度的实验测定，计算得到分子量与燃料分子量非常吻合。在密度和流速测量的基础上，实现了燃料高温裂解气驻留时间的实验测定。固定加热电流和冷态燃料流量，改变管长l，测定出口流速v(l)，进而积分燃料在管内的驻留时间。.根据RP-3航油的化学组成(平均分子量151.1，碳氢质量比5.83，平均化学式C10.7H22.1)。确定了RP-3航油四组分替代模型（质量分数：正十烷18.6%、正十二烷58.1%、1,3,5-三甲基环己烷12.9%、丙基苯10.5%，平均分子量150，碳氢质量比5.9，平均化学式C10.7H21.7）。采用反应机理自动生成程序ReaxGen得到了替代燃料的详细机理模型包含525个物种，8122个反应。基于以上自主构建的裂解机理，开展了热物性模拟和验证。.基于裂解机理，我们开展了裂解过程热沉、密度和流速的模拟并与流动管裂解实验数据进行比较，从这几种热物性模拟结果看，模拟结果基本能再现实验趋势，但定量精确性有待提高。此外，由于反应机理没有考虑物理团聚，不能解释化学负热沉现象。由于机理只能考虑气相结焦，不能考虑表面结焦，将会使模拟结果与实验结果出现差别。我们开发的机理流速和密度模拟方面与实验吻合较好。.研究工作发表SCI论文一篇，获准国家发明专利一项。