正癸烷四步高温总包机理构建与验证

燃烧数值模拟受控于化学反应机理的物种和反应数量,为减小机理规模,本文构建了包含8个组分（C10H22、O2、C2H4、CO、H2、CO2、H2O、N2）并带有修正函数的正癸烷四步高温总包反应机理。以烷烃高温宏观氧化反应路径分析为基础,将正癸烷燃烧过程分解为长链烃裂解为中间烃、中间烃氧化为CO、CO氧化为CO2等三个宏观过程,其中裂解反应是点火延迟时间的主控因素,而氧化释热过程则对层流火焰速度和点火延迟时间均有显著影响。以点火延迟时间和层流火焰速度为优化目标,通过文献比选并调试得到指定工况下的初始动力学数据;结合两个正癸烷骨架机理的模拟数据,采用以当量比与压力为自变量的二元函数对裂解和氧化过程的Arrhenius公式的指前因子进行修正。在温度T=1000~2000K、压力p=0.1~0.3MPa、当量比Φ=0.5~1.5的工况下,利用Chemkin-Pro软件计算了总包机理的绝热火焰温度、点火延迟时间、层流火焰速度,计算结果与实验数据和骨架机理的计算结果吻合较好。运用该总包机理对本生灯火焰进行数值模拟,取得了与实验一致的火焰温度和组分浓度变化。研究范围内该总包机理满足正癸烷的主要燃烧特性,同时大幅降低了反应规模,适合正癸烷高温燃烧的工程应用。     

面向超燃数值模拟的正癸烷高温骨架机理

为了得到一个适用于超声速燃烧模拟的小规模正癸烷骨架机理,以现有的正癸烷燃烧机理（S709）为基础,通过机理简化和参数对比优化的方法,构建了包含27个物种和105个反应的高温骨架机理（S27）。在温度（T：1000–2000 K）、压力（p：0.1–0.3 MPa）、当量比（Φ：0.5–1.5）的超燃典型工况范围内,通过Chemkin-Pro软件计算了S27对于层流火焰速度、点火延迟时间、熄火拉伸率的预测值,在0.1 MPa富燃条件（Φ=1.7）下,计算了主要物种浓度分布,并与文献正癸烷骨架机理（S40,S96）、S709的模拟值和实验数据进行对比,以验证机理的合理性。结果表明S27的计算结果与文献实验数据和S709结果吻合良好。通过研究S27在高温条件下含C物种的反应途径以及影响层流火焰速度的关键反应,进一步证明了S27的合理性。相较于S709及其他正癸烷骨架机理,S27极大地提升了计算效率,展现了此机理应用于超燃流场数值模拟的良好前景。     

正十四烷低温点火及燃烧机理的构建和简化

为了开展燃烧流场数值模拟,构建了包含71个组分391个反应方程的正十四烷低温点火及燃烧骨架反应动力学机理(C14_SK71);采用计算奇异摄动法(CSP)和准稳态假设法(QSSA)对骨架机理进行简化,得到包含44个组分40个反应方程的总包简化机理(C14_Red44);通过实验测得的点火延迟时间、火焰传播速度以及射流搅拌反应器(JSR)组分浓度数据对机理进行了计算和验证。结果表明:该十四烷燃烧机理能够比较准确地预测温度700K~1350K内点火延迟数据,再现中低温条件下的负温度效应(NTC);较好地模拟了当量比0.7~1.4内的正十四烷/空气预混气的层流火焰传播速度,以及温度650K~1050K内正十四烷氧化过程中的组分分布。与现有的正十四烷氧化反应机理相比,该骨架机理和总包简化机理规模较小,为进一步开展燃烧流场数值模拟提供了可用的反应机理模型。     

基于化学杂化和官能团相似耦合方法的RP-3航空煤油反应动力学简化模型构建

真实航空燃料通常包含几十至上百种组分,直接构建其化学反应动力学模型十分困难。本文利用官能团相似法（SCFG）,结合实测RP-3航空煤油组分比例,提出了RP-3四组分模型替代物。利用流动反应器,获得了温度为550～1150K,压力为0.1 MPa下RP-3热解数据,基于化学杂化方法 （Hybrid Chemistry）,构建了以真实RP-3为单一原始组分的航空煤油化学反应动力学模型（XJTURP3-2021）,模型得到宏观点火延迟、层流火焰速度以及微观组分浓度系统验证。基于误差传递的直接关系图法（DRGEP）和全局敏感性分析（FSSA）对模型进行简化,获得含41种组分、212个基元反应的RP-3简化模型（XJTURP3r-2021）。与详细模型和实验数据对比发现,XJTURP3r-2021能较好地复现热力边界对RP-3基础燃烧特征影响规律,为解决CFD仿真对反应源项初始组分数量约束和计算精度固有矛盾提供新思路。     

正癸烷/甲苯/甲基环己烷火焰传播速度实验研究

由于实验系统中燃料与氧化剂预混气制备和工况维持稳定存在较大的难度,目前国内外针对大分子液态碳氢燃料火焰传播速度的实验测量结果的报道依旧不多。为此建立了一个针对液体燃料的对冲火焰实验台,并在该实验台上测量了正癸烷、甲苯、甲基环己烷等三种煤油代表性替代燃料与空气预混气的火焰传播速度。测量结果表明,在一个大气压下,初始温度为388K的甲苯/空气预混火焰、初始温度378K的正癸烷/空气和甲基环己烷/空气预混火焰的最大火焰传播速度分别为52.4cm/s,64.2cm/s,58.3cm/s。     

Al／TiC中TiC反应合成的动力学模型

基于以下机理，即：在碳颗粒的周围形成一层富钛的复合层，钛原子扩散穿过该层与碳原子反应生成ＴｉＣ，形成的ＴｉＣ从溶液中析出且向外扩散，建立了Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ体系中反应生成ＴｉＣ颗粒的动力学模型，获得了反应速度的表达式：ｄ（Ｖ）ｄｔ＝－πＤＶ（６ＶＮ２Ｃ）１３（１＋２ββ）ＮＡｌＭＡｌρＡｌ＋ＶＭＴｉρＴｉρＣＭＣ数值计算的结果表明，影响反应速度的因素主要有：体系温度、预制块中铝粉的含量，富钛层的厚度和碳颗粒的大小。减少铝粉含量、富钛层的厚度和碳颗粒的大小，以及升高体系的温度将加快反应的速度。     

甲烷点火燃烧的简化化学反应动力学模型

1引言超燃发动机的燃烧室是整个超燃发动机研究的关键所在,有效缩短碳氢燃料的点火延迟时间,提高点火性能,对于缩短发动机长度、减轻发动机重量、提高其性能具有极其重要的意义[1]。碳氢化合物的燃烧是一个很复杂的化学过程,以甲烷为例[2],描述其详细燃烧反应机理的GR I-Mech化     

基于动力学模型的积分滤波机动检测方法

给出了一种基于动力学模型的积分滤波机动检测方法,通过滤波时对机动时间、机动强度和滤波残差的实时统计,可以准确识别目标的机动状态,并自适应调整滤波参数,保证滤波的精度。对野值具有很强的抑制能力,能够在很大程度上减小虚警的概率。该方法适合靶场对高机动弹道的机动检测。     

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.      

基于动力学模型的再入弹道估计方法研究

对再入飞行器进行跟踪,获取目标弹道的精确估计具有十分重要的现实意义。飞行器在再入段的弹道可用较为精确的动力学模型描述,并利用UKF对目标的弹道进行估计,与3RR.几何法解算结果进行比对。仿真结果表明,对于弹道式再入飞行器,基于BRV-Exp模型的弹道估计精度比3RR.法具有明显改善;对于机动式再入飞行器,基于MRV-Wiener模型的估计精度只是略微优于3RR.法的弹道估计精度。     

RP－3 航空煤油燃烧特性及其反应机理构建综述

目前耦合航空煤油多步燃烧反应机理的数值模拟计算已引起学者们的重视,燃烧反应机理的构建已成为研究热点。详细介绍了国内外关于航空煤油模拟替代燃料的选取、化学反应动力学模型构建和简化、着火延迟时间和层流燃烧速度等的实验规律。依据国外研究进展,指出了中国在国产RP-3航空煤油燃烧反应机理研究方面应从基础研究做起,全方位、多维、立体地合作开展相关研究,主要包括:国产RP-3航空煤油化学动力学模型的建立、低温高压工况条件下航空煤油与模拟替代燃料的基础实验研究与模型燃烧室研究,以期丰富相关研究成果,推进航空发动机的高质量发展。     

一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理

通过对一种航空煤油数值模拟替代燃料(正癸烷)着火与燃烧的化学反应详细机理(包括67种组分,344个反应)进行反应流与敏感性分析,建立了该替代燃料的化学反应简化机理(包括50种组分,118个反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.结果表明:与实验数据相比,采用详细机理与简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与主要生成物的摩尔分数与炉壁距离的整体变化趋势吻合较好.正癸烷可以作为航空煤油的一种数值模拟替代燃料,同时,所建立的化学反应简化机理能很好的描述正癸烷着火与燃烧的动力学特性.      

RP-3航空煤油三组分替代燃料简化机理验证

利用机理自动简化程序ReaxRed对航空煤油RP-3三组分替代燃料半详细化学反应动力学模型采用两种方案分别进行了简化。方案一采用直接关系图（directed relation graph,DRG）法构建了109组分423步基元反应,方案二在方案一的结果上采用基于误差传播的DRG（directed relation graph based on error propagation,DRGEP）方法和计算奇异摄动（computational singular perturbation,CSP）法构建了84组分271步基元反应。结合点火延迟试验数据对方案二所构建的简化机理进行了验证,并且采用层流火焰速度、温度和重要产物等方面的数值计算结果进行对比分析,结果表明:方案二所构建的简化机理在简化过程中保留一定的计算精度前提下更加经济实用,其中在各种工况下方案二简化机理和半详细机理的点火延迟时间之间的平均误差在6%以内并且它们在火焰传播速度方面平均误差在不超过8%。采用本生灯预混燃烧器为物理模型,以RP-3航空煤油为燃料,进行相应的试验研究来验证方案二的简化机理,结果表明该简化机理数值计算结果与试验数据较吻合。      

RP-3航空煤油3组分模拟替代燃料燃烧反应机理

提出了一种包括65%正癸烷、10%甲苯与25%丙基环己烷3组分的RP-3航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理,该机理由150种组分和591个基元反应组成.采用该燃烧反应机理对RP-3航空煤油模拟替代燃料在激波管和定容燃烧弹中的着火与燃烧特性进行数值模拟,并与相应工况实验数据进行对比分析.通过与RP-3航空煤油单组分正癸烷模拟替代燃料的燃烧反应机理进行对比分析发现:正癸烷、甲苯与丙基环己烷3组分替代燃料的燃烧反应机理对着火延迟时间的计算偏差能够控制在5%以内,对层流燃烧速度的计算偏差能够控制在10%以内,计算值明显优于正癸烷单组分替代燃料;进一步采用敏感性分析方法对3组分模拟替代燃料的燃料反应机理进行了适当修正,修正后机理对层流燃烧速度的计算偏差由10%提高到5%以内,能够更好预测所研究参数下的RP-3航空煤油的着火延迟时间和层流燃烧速度.      

硼颗粒聚团着火过程研究

针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒聚团的着火过程开展了系统研究,考虑硼颗粒聚团内部气相扩散及颗粒聚团与周围环境的传热传质过程,建立了一维硼颗粒聚团着火模型,详细分析了环境总压、环境气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。结果表明:硼颗粒聚团能够在比单颗粒硼着火温度更低的环境温度下实现着火,且着火温度随聚团半径、氧气摩尔分数的增加而降低,随环境总压、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径的增加而增大;硼颗粒聚团着火延迟时间随环境气体温度、氧气摩尔分数和颗粒聚团孔隙率的增加而减小,随硼颗粒粒径的增加而增大。在较高的环境总压下,硼颗粒聚团的着火延迟时间随环境总压增加而增大。     

定容燃烧弹实验系统及C7燃料火焰速度测量

设计并搭建了适用于测量高温、高压条件下层流火焰传播速度的定容燃烧弹实验系统。详细介绍了定容燃烧弹实验系统的主要子系统的构成和功能,并阐述实验数据处理方法。测量初始温度为400K、压力为0.1MPa和0.3MPa,C7燃料(甲苯、甲基环己烷、正庚烷)/空气层流火焰传播速度,并与现有文献结果进行了对比。结果表明:该定容燃烧弹实验系统具有较高的可靠性,不仅能够准确测量较高初始温度、不同初始压力条件下燃料/空气的层流火焰传播速度,而且能够拓宽测量火焰传播速度当量比的范围。      

Comparison of autoignition characteristics of n-heptane, methylcyclohexane and toluene

The autoignition characteristics of three C7 hydrocarbon fuels,n-heptane,methylcyclohexane and toluene,were comparatively investigated.Ignitions were performed behind the reflected shock waves in a shock tube.The ignition delay times of these fuels were measured at the same igintion conditions with constant fuel mole fraction of 1.0%,equivalence ratio of 1.0,ignition pressure of 1.0×105 Pa(one more 2.0×105 Pa for n-heptane)and temperatures of 1 166-1 662 K.The correlation formula of ignition delay dependence of three fuels on igintion conditions was deduced separately.Results show that the ignition delay time of n-heptane is the shortest while that of toluene is the longest at the same ignition conditions.The ignition delay time of methylcyclohexane is most sensitive to the temperature while that of n-heptane is the least.The comparison of current ignition delay times with the predictions of available chemical kinetic reaction mechanisms has been presented to validate the reliability of mechanisms.The important chemical reactions during the ignition process have been obtained from the sensitivity analysis.     

燃烧室电火花点火模型

为了准确掌握影响航空发动机燃烧室点火边界的关键因素,并建立燃烧室点火边界预测模型,对单头部燃烧室的点火过程及点火边界进行了试验与理论研究.获取了燃烧室点火过程的火核生成与传播特性曲线,形成了拓宽燃烧室点火边界的优化方法,基于点火恢复时间建立了燃烧室点火边界预测模型,并对预测模型的精度进行验证.结果表明:提高喷嘴雾化性能...     

单管火焰筒内燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了建立航空煤油替代燃料的反应机理,并对航空发动机燃烧过程进行详细反应动力学研究,选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了该替代燃料的化学反应详细机理与简化机理。分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火过程、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析。同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某单管火焰筒内燃烧过程、排放物及活性中间组分的生成规律进行了详细分析,并与采用C12H23为燃料的单步总包反应机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C12H23为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理能更好地对单管火焰筒的燃烧与排放特性进行详细的动力学分析。