液体碳氢燃料高温热裂解中非催化积碳动力学及影响机制研究

Pyrolytic Coking of endothermic hydrocarbon fuels in the regenerative cooling channels is one of the serious problems during the running process of modern supersonic aircrafts. Based on the comprehensive analysis of coking ways of liquid hydrocarbon fuels, the researches in this project are focused on the non-catalytic coking process, which is strongly coupled with turbulent flow, with more complex mechanism and without effective inhibition technology at present. Using the research methods combining the theoretical analysis, numerical modeling and principle experiments, several key contents will be researched in this project, which includes: the morphological classification of coking precursor, modeling of deposition and wall surface reaction, simulation of multiple coupling effects on coking process and modification of coupling calculation method for multi-field. After that, the project will develop the numerical models of particle deposition, gas phase adsorption and wall surface reaction. Furthermore, the developed models will be implanted into the whole computation code combined with the detail pyrolytic reaction kinetics and turbulence model, and then the simulation and prediction platform of non-catalytic coking process will be built up. Based on the comparisons with the theoretical experiments and accuracy optimization for the developed models, the pyrolytic coking mechanism and its coupling function with the reaction flow field can be illuminated. The fundamental research results in this project are helpful to the development of pyrolytic coking inhibition technology in the regenerative cooling channels.

吸热型液体碳氢燃料在主动冷却通道内的高温热裂解结焦是目前高超音速发动机运行中存在的严重问题之一。项目在对液体燃料结焦途径全面分析的基础上，重点针对与流场耦合作用最强、机理复杂且不明确、抑制技术尚不成熟的非催化结焦过程，采用模型构建、数值模拟和实验验证多种研究手段，围绕结焦母体形态划分、沉积及附壁反应机制的模型化、积碳的多场耦合影响及其定量模拟、多场耦合计算方法的优化和建立等关键科学问题和内容，构建用于描述固相沉积、气相吸附、附壁反应等复杂行为的理论计算模型。同时，将构建的核心模型与目前通用的燃料裂解基元反应动力学、湍流流动等模型结合，建立可实现非催化积碳过程模拟和预测的数值分析平台，通过与模化实验结果的对比、验证和优化，对冷却通道内的非催化积碳影响机制及其与空间裂解反应场之间的耦合作用进行准确的把握和分析，为发动机积碳防治技术的开发提供有效的指导。

吸热型液体碳氢燃料在主动冷却通道内的高温热裂解结焦是目前高超音速发动机运行中存在的严重问题之一。项目在对液体燃料结焦途径全面分析的基础上，重点针对与流场耦合作用最强、机理复杂且不明确、抑制技术尚不成熟的非催化结焦过程，以正庚烷为典型燃料开展研究。首先，利用已有的典型液体燃料裂解反应动力学机理，进行模化通道内液体燃料高温热裂解特性的数值模拟，发现了通道内的吸热区域可划分为热入口区，主反应区和充分反应区三个区域，入口温度对通道整体的换热性能影响不大。通道的直径变小导致通道内的流动、传热和化学反应之间的耦合作用增强，小尺度通道的单位面积换热特性要优于大通道。其次，搭建了高压热解实验系统，利用不同温度、压力、流量下的热解实验数据，评价和优化已有的正庚烷热解动力学机理，构建了包含苯等44个组分和166步反应的正庚烷热解简化反应模型，与流动反应器中的测量数据吻合度很好；然后，在KM2多环芳烃以及碳烟生成动力学模型的基础上，采用敏感性分析方法，结合热解和积碳的实验数据，修改了关键反应的动力学参数，添加了小分子PAHs（萘、蒽、菲）以及气相C2H4对于碳烟生成的贡献路径，构建了235组分以及1157步的气固耦合反应动力学机理，对于固体产率、颗粒直径以及气相产物浓度的预测精度有明显提升；再次，结合优化后的碳烟生成动力学以及表面成长动力学机制，在详细化学动力学机理验证和优化的基础上，分析了通道表面结焦的来源以及模式，分别从流动和壁面化学反应角度分别开发出了固相沉积和壁面反应结焦模型，并利用无量纲的结焦能力值对通道内的结焦特性进行了预测。通过与实验数据的对比验证，找出微通道内的结焦规律。最后，分析和模拟了实际通道内结焦的非稳态变化过程，为后续的研究奠定了基础。项目的成果可以从传热能力强化以及积碳防治整体角度为高超发动机冷却通道的热防护提供合理化的建议和指导。