国产航空煤油替代燃料化学反应机理及其简化

The objective of this project is developing the chemical kinetic model applied in the turbulent combustion for China-made aviation kerosene. So, the surrogate fuels model of China-made aviation kerosene, detailed chemical mechanisms of multi-component surrogate fuels and high-accuracy reduction mechanism method will be systematically studied in the project. By this study, a surrogate fuels model describing the physical and chemical properties of the real aviation kerosene, a detailed chemical mechanism predictting the ignition and combustion characteristics of fuels in a wide ranges of temperature, pressure and equivalence ratio will be developed. In addition, we will develop a high-accuracy reduction mechanism method based on controlling error, and obtain a reduced mechanism model for China-made aviation kerosene, which can be used to study turbulent combustion and the interaction of turbulence and chemical reaction. This study will provide theoretical supports for promoting the innovation and development of Chinese engine industry, raising the level of research in engine basic combustion in China.

本项目以国产航空煤油为对象，以发展可用于湍流燃烧研究的燃料化学反应动力学机理模型为目标，系统地开展航空煤油替代燃料模型、多组分替代燃料燃烧反应动力学机理及其高保真简化方法的研究。通过本项目的研究，将发展一个能够完整描述国产航空煤油物理和化学特性的替代燃料模型，以及能够在宽参数范围内准确预测航空煤油着火与燃烧特性的详细化学反应机理；发展一种基于误差控制的高保真化学反应机理简化方法，并获得一个能够用于分析湍流燃烧、研究化学反应与湍流相互作用的简化国产航空煤油反应动力学模型，为促进我国发动机工业的创新发展提供理论支撑，并提升我国发动机基础燃烧的研究水平。

为深入理解航空发动机湍流燃烧机制，阐明湍流与化学反应的相互作用机理，本项目以国产航空煤油为对象，系统性地研究了实际航空煤油的代表性组分的燃烧特性及其骨架机理、多组分替代燃料模型及其反应动力学机理、高保真燃烧机理简化方法及其在CFD中的应用。.建立了一套适用于测量宽参数范围的气/液燃料的层流火焰传播速度的定容燃烧弹实验系统，其可靠性与准确性得到了实验结果的验证。利用该系统测量了实际航空煤油12种代表性组分（C10-C14链烷烃、C7-C10环烷烃、C7-C9芳香烃和C5-C8烯烃）、实际航煤及其多组分替代燃料在宽参数范围（初始温度350K-460K、初始压力1atm-10atm和当量比0.5-1.6）内层流火焰传播速度。实验结果表明，不同碳数的直链烷烃具有相似的燃烧特性，而取代基和碳数的不同会影响环烷烃和芳香烃的燃烧特性，烯烃中的C=C键位置以及碳数对燃烧特性有明显影响。.基于反应路径分析和灵敏度分析的大分子碳氢燃料骨架机理构建及优化方法，对12种代表性组分构建了相应的小型骨架机理。利用不同温度、压力和当量比条件下的着火延迟、火焰速度、预混火焰结构和PSR组分分布对所构建的骨架机理进行了宽参数范围的验证。.针对实际新型国产航空煤油的各种理化特性，首先提出并验证了正十二烷、正十四烷和十氢萘的三组分替代模型，利用单组分燃料骨架机理，采用“核心机理+子机理”的方法，获得了包含93组份和568反应的航煤替代燃料骨架机理，并进行了宽参数范围的着火延迟时间和层流火焰传播速度的对比验证。.为使构建的航煤骨架机理能够适用于CFD计算，发展了一种基于时间尺度分析的总包机理简化方法，并对构建的各个燃料骨架反应机理进行了总包简化。最后将简化发展的航煤总包机理（Red38）应用于超声速燃烧过程的数值模拟中，从动力学角度分析了燃烧室的燃烧过程。