航空发动机碳氢燃料低污染燃烧反应机理的分子模拟研究

Confronting with the dual crises of energy shortage and environmental pollution, future jet engine needs to use renewable clean energy resources to replace current fossil fuels. This project aims to study the microscopic combustion mechanisms of conventional aviation kerosene and alternative biofuel, focusing on the formation and evolution of harmful pollutants NOx and CO. The computational evaluation method for pollutants of hydrocarbon fuel combustion will be established to help to develop low-pollution fuel combustion technology in jet engine. In this work the reactive molecular dynamics (RMD) method will be employed at an atomistic level to study the dynamics of combustion chemical reactions: First we acquire the new generation ReaxFF forcefield parameters on the basis of accurate quantum mechanical results using genetic optimization algorithm. Then we carry out large-scale molecular dynamics simulations to study the pyrolysis and oxidation processes of hydrocarbon fuels, clarifying the effects of the intrinsic properties (chemical composition, isomorphism, and chemical bonding) and the external factors (temperature, pressure, and fuel-gas mixing ratio) of hydrocarbon fuels on combustion mechanisms and pollutant formation processes. This work will study comparatively the combustion processes between the single-component hydrocarbon fuel and multi-component surrogate fuel models, establishing design principles for fuel molecules in low-pollution combustion under various working conditions of jet engines.

面对能源短缺和环境污染的双重危机，未来航空发动机亟需使用可再生清洁能源替代现有的石化燃料。本项目旨在通过研究传统航空煤油和替代生物燃料的燃烧微观反应机理，尤其是有害污染物NOx和CO的生成和演化过程，建立碳氢燃料燃烧污染物的计算评测方法，为发展航空发动机的低污染燃料燃烧技术提供理论参考依据。课题采用反应分子动力学方法在原子层次上研究燃烧化学反应动力学：首先基于高精度量子力学计算结果，通过遗传优化算法获得新一代ReaxFF反应力场参数；然后利用大尺度分子动力学方法研究碳氢燃料的高温裂解和氧化燃烧过程，阐明碳氢燃料的内禀因素（化学组份、同素异构和化学键类型）和外在因素（温度、压力及油气混合）对燃烧反应机理和污染物形成过程的影响规律。本工作将对比研究单组元的碳氢分子和多组元燃油替代模型体系的燃烧过程异同，在考虑发动机各种工况条件下，建立低污染燃烧的燃料分子设计准则。

为理解碳氢燃料燃烧微观过程的大规模原子水平模拟需要准确有效的反应分子力场。ReaxFF反应力场是目前广泛应用的能够描述大规模凝聚态化学反应的经典分子力场。虽然反应力场取得了广泛的成功应用，但是其精确度和适用性仍是制约其进一步发展和应用的瓶颈。目前大部分的ReaxFF力场仍然是基于近20年前的量子力学计算方法和结果训练开发而成，还缺乏针对更高理论精度开发的，适合更广泛的碳氢燃料燃烧问题的力场，如兼顾小和大碳氢分子与含自由基中间反应的描述等，这对研究航空煤油的燃烧微观机理至关重要。. 本项目主要研究内容是开发新一代反应力场ReaxFF及其在研究碳氢燃料燃烧微观过程的应用。具体主要分为针对“碳氢氧氮”（CHON）体系的量子力学计算和数据集构建、ReaxFF力场参数开发和分子动力学模拟研究碳氢燃料燃烧相关过程。目前已经自主计算完成针对“碳氢氧氮”体系的大规模的高精度量子力学数据集。密度泛函计算采用基于含动能密度的超广义梯度近似（meta-GGA）水平的M06-2X交换相关泛函和大基组6-311++G**。CHON数据集内含>700种碳氢氧氮分子的平衡态结构，>4000个分子的非平衡态结构，>10万个原子电荷数据，近2000个势能面和反应焓数据。无论从理论计算精度还是数据集规模都超过目前文献中类似的力场训练集。已经开发完成具有自主知识产权的针对“碳氢氧”（CHO）体系的反应力场ReaxFFCHO-S19。优化并验证了“碳氢氧”（CHO）反应力场电荷与能量参数以及“碳氢氧氮”（CHON）体系的反应力场电荷参数。与量子力学计算结果比较，初步验证表明本项目开发的反应力场比文献中类似的力场精度至少提高10%。针对碳氢体系裂解反应进行了初步的分子动力学模拟。本项目开发的反应力场可以用于碳氢燃料、生物燃料、含能材料和推进剂等体系的化学反应微观过程的研究，也可作为基础扩展研究其他相关体系。