高温高压条件下国产航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理研究

This project focus on the combustion reaction mechanism of the surrogate fuel for Chinese kerosene under high temperature and pressure conditions, which is a critical technology problem. By applying theory analysis, experimental study and numerical simulation, the physical and chemical characteristics of Chinese kerosene were analyzed, the selection criterions of surrogate fuel were optimized, and the surrogate fuel of Chinese kerosene was determined. The characteristics of ignition, combustion and emission formation of Chinese kerosene and it's surrogate fuel under some conditions were gained through experimental studied. The high temperature and pressure combustion reaction mechanisms of the surrogate fuel were constructed and verified under the condition ranges of aero-engine. Furthermore, the applicable ranges of these mechanisms were gained, and the effects of temperature and pressure on the combustion reaction paths were discussed. This research will present original results and provide the scientific basis for understanding the burning details in the aero-engine combustor, optimizing the combustion organization form in the existing engine combustor, designing and improving the structure of new engine combustor.

项目围绕高温高压条件下国产航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理这一关键科技问题，采用理论分析、实验研究和数值计算相结合的方法，分析国产航空煤油的物理与化学特性，优化模拟替代燃料的遴选标准，确定国产航空煤油的模拟替代燃料；对国产航空煤油及其模拟替代燃料的着火、燃烧与排放物生成特性进行实验研究，获得多工况下国产航空煤油及其模拟替代燃料的着火、燃烧与排放物生成特性；构建国产航空煤油模拟替代燃料的高温高压燃烧反应机理，并对其在航空发动机工况范围下进行实验验证，获得该燃烧反应机理的适用范围，阐明温度与压力对模拟替代燃料燃烧反应路径的影响机制。该项研究必将提出原创性成果，为了解航空发动机燃烧室内的燃烧细节、优化现有发动机燃烧室的燃烧组织形式以及新型燃烧室结构设计与改进提供理论依据。

综合分析了RP-3航空煤油的物理与化学特性；针对其物理与化学特性，确定了RP-3航空煤油模型燃料的遴选指标（包括平均分子量、氢碳比、十六烷值与低热值）；针对遴选指标，提出了由正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯等五种组份组成的RP-3航空煤油模型燃料，并对该模型燃料中各组份的摩尔分数进行了优化。同时，对比分析了不同温度下该模型燃料与RP-3航空煤油的密度与动力粘度。结果表明，当该模型燃料中正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯的摩尔分数分别为14%、10%、30%、36%与10%时，该模型燃料的平均分子量、氢碳比、十六烷值与低热值与RP-3航空煤油的相应数据非常吻合；同时，不同温度下该模型燃料的密度与动力粘度变化趋势与RP-3航空煤油吻合较好。在射流搅拌器、激波管、定容燃烧弹中对RP-3航空煤油及其模型燃料的低温氧化特性、着火延迟特性、层流燃烧特性进行了试验测试。同时，通过耦合基于反应类的全局敏感性分析方法、解耦法和遗传算法，构建了该模型燃料的燃烧反应简化机理（181个组分和872个反应），并对模型燃料的低温氧化特性、着火延迟特性、层流燃烧特性进行了数值计算。结果表明，在多工况条件下模型燃料低温氧化特性、着火延迟特性、层流燃烧特性与RP-3航空煤油吻合较好；构建的RP-3航空煤油模型燃料的燃烧反应简化机理可以较好的预测该模型燃料的低温氧化特性、着火延迟特性、层流燃烧特性。