基于同步辐射光电离-分子束质谱技术的吸热型碳氢燃料高温裂解研究

吸热型碳氢燃料高温裂解的主动热防护技术是超燃冲压发动机的核心关键技术之一，自由基及不稳定中间体是碳氢燃料高温裂解反应路径必不可少的关键组成部分，决定了裂解深度的大小、裂解产物的选择、结焦前驱体生成。将同步辐射光电离技术与分子束质谱技术相结合，研究吸热型碳氢燃料（庚烷、癸烷）高温热裂解机理。测量高温裂解过程中产生的各种产物，重点探测裂解关键路径的自由基及中间产物；通过扫描光子能量，测量光电离效率谱区分同分异构体；结合光电离截面数据得到高温裂解过程中自由基的绝对浓度，可以得到较详细的裂解动力学。结合计算模拟，更深入地研究高温热裂解机理。比较不同碳氢燃料裂解机理以及添加剂对裂解关键路径的影响，为碳氢燃料吸热能力的提高及反应控制提供指导，对超燃冲压发动机有效热防护具有重要意义。

吸热型碳氢燃料高温裂解的主动热防护技术是超燃冲压发动机的核心关键技术之一，自由基及不稳定中间体是碳氢燃料高温裂解反应路径必不可少的关键组成部分，决定了裂解深度的大小、裂解产物的选择、结焦前驱体生成。将同步辐射光电离技术与分子束质谱技术相结合，研究吸热型碳氢燃料高温热裂解机理。基于实验数据，建立了适用于中、高温区燃烧的详细动力学模型。此外，对比研究了此模型在其他实验研究的适用性，包括裂解、氧化、预混火焰和扩散火焰，发展的模型模拟结果很好的符合以上实验结果并具有较宽范围的适用性。研究了正癸烷在超临界压力下的吸热性能。流动反应器中，在相同出口温度条件下，高的压力提高了燃料密度，从而增加了燃料在反应器中的滞留时间，裂解率亦随之提高，有利于反应吸热。燃料的裂解吸热性能受产物分布和裂解率影响，而压力的提高导致烷烃分数提高，降低了烯烃/烷烃比例，会降低燃料反应吸热量。因此，受这两方面的影响，压力的提高不会一直促进吸热性能。基于超临界裂解实验结果，发展了适用于超临界的正癸烷裂解模型。基于动力学模型，分析了正癸烷在超临界条件下的裂解途径。高压下烷烃大量生成，C4-C9的烷烃主要通过烷基自由基的重新组合反应生成，而C1-C3的烷烃则是通过其同碳自由基对正癸烷的进攻夺氢反应生成。通过反应通径分析法对模型进行了简化。利用高温热裂解系统对正癸烷添加了引发剂进行了引发裂解研究，此引发剂将正癸烷裂解起始温度降低了50K，并提高了燃料的化学热沉，影响正癸烷的流动换热规律。在900K以下，引发裂解对热沉有所提高，引发剂浓度越高，对提高热沉越有利。分析正癸烷在超临界压力下管道内的传热特性，得出裂解反应能够提高燃料的热沉，同时抑制它的热传导能力。对比研究引发裂解及热裂解换热结果表明，在流动反应器中，NP（硝基丙烷）使RP-3的裂解起始温度降低约50K，其引发效果在燃料出口温度达到910K后消失。在800K至900K温度范围内，引发剂使裂解增强，提高了燃料热沉，在相同热流条件下，降低了燃料的温度，从而降低了壁面温度，但对对流换热系数影响不大，引发裂解降低流体温度及壁温的能力呈先上升后下降的趋势。研究结果为碳氢燃料吸热能力的提高及反应控制提供指导，对超燃冲压发动机有效热防护具有重要意义。