高温高压液体燃料辐射热物性实验测量与第一性原理模拟

The radiative properties of liquid fuel are very important for simulating and controlling the combustion of aircraft engine, liquid rocket engine. They are also the most important parameters in designing and optimizing these kinds of engines. Up to now, the data of radiative properties of liquid fuel are very scarce, especially the radiative properties data and its prediction model at high temperature and pressure, which become as the bottleneck of the development of the analysis of radiative transfer and related control technology. This project aims at the front research of the field of thermal radiation, to study the thermal radiative properties of liquids through both experimental means and theoretical prediction based on first principle modeling. By building the test equipment of dilectric functions of liquids, the multi-optical path lengths transmission method is developed and used to measure the dielectric function of the liquid fuel. The thermal radiative properties of the liquid fuel are then calculated based on electromagnetic field theory. By analyzing the influencing mechanism of dielectric function, the first-principles molecular simulation method is developed to calculate the dielectric function of the liquid fuel, and the results of the simulation are then used as the supplement and extrapolation of the experimental data. This project can provide basic radiative properties and the simulation method for the theoretical study and applications of thermal radiative transfer of the liquid fuel combustion.

液体燃料辐射热物性参数是航空发动机、液体火箭发动机燃烧过程模拟和控制以及设备设计优化的重要参量。目前，液体燃料的辐射热物性参数，尤其是高温和高压条件下辐射热物性参数数据和预测模型还很欠缺，已严重制约液体燃料燃烧过程中的热辐射传输分析与控制技术的发展。本研究瞄准本学科国际研究前沿问题，从实验测量和基于第一性原理的理论模拟两个方面对液体燃料的辐射热物性参数进行研究。通过组建液体燃料介电函数测量实验台，采用多光程法获得高温高压下液体燃料介电函数，进而采用电磁场理论计算其辐射热物性参数；通过分析液体燃料介电函数内在的主要影响机制，发展液体燃料介电函数的第一性原理分子动力学模拟方法，对实验研究数据进行重要的补充和合理外推，为与液体燃料燃烧过程相关的热辐射传输理论与应用基础研究提供必要的基础物性数据与模拟方法。

介电函数（光学常数）是热辐射传输计算分析所必需的基础物性参数。本项目瞄准液态燃料高温高压基础辐射物性的前沿研究方向，主要研究了高温高压条件下液体燃料介电函数的实验测量方法、介电函数的第一性原理分子动力学和全原子-粗粒化分子动力学模拟方法等高温高压基础辐射物性研究中亟需解决的共性问题。项目研究获得以下主要成果：.搭建了高温液体燃料表观光谱辐射特性和介电函数测量综合实验装置，同时实现了光学立式和卧式测量，实现机械化自动测量；并用该实验台测量了纯水、原油、及多种纹理织物的BRDF特性。提出了高透窗片材料光学特性的双光程透射测量方法，显著提高了高透过率材料光学常数虚部测量的精度，为液体燃料光学常数的实验测量提供基础数据支撑。设计了透射型/反射型液体池及其温度和压力控制系统，并对系统可靠性进行了验证。提出了中红外波段液体光学常数测量的“椭偏-透射结合法”，该方法结合了椭偏法和透射法测量的优势；应用此方法测量了典型液体的温度相关光学常数，并计算了燃油液滴的吸收和散射效率因子。提出了可见光-近红外波段液体光学常数测量的双光程透射法和“椭偏-透射结合法”，克服了以往测量方法在该波段无法给出准确光学常数虚部的缺陷，并用此方法测量了多种不同浓度混合盐溶液的光学常数。.针对稠密粒子系组成的参与性介质，给出了一种确定独立散射和非独立散射分界线的方法，并研究了稠密粒子系非独立散射作用的修正方法，为燃油液滴辐射特性的研究提供参考。将第一性原理分子动力学方法应用于简单液体燃料温度和压力相关介电函数的计算当中；引入全原子-粗粒化分子动力学混合方法，推导了全原子-粗粒化分子动力学框架下的介电函数计算公式，以用于大分子液体燃料介电函数的计算。.本项目目前已发表SCI论文11篇；会议论文5篇，其中国际会议3篇，国内2篇；申请发明专利1项、软件著作权1项。培养毕业博士研究生4名、硕士研究生8人。