一种RP-3航空煤油的三组分替代燃料简化机理构建与验证

对RP-3航空煤油三组分替代燃料(质量分数分别为73%的正十二烷、14.7%的1,3,5-三甲基环己烷和12.3%的正丙基苯)半详细化学反应动力学模型进行简化和验证,旨在获得可应用于工程计算且精度合理的三组分替代燃料简化机理。三组分替代燃料半详细化学反应动力学模型包含有257组分和874步基元反应。第一步采用直接关系图法(Directed relation graph,DRG)构建了109组分423步基元反应;第二步是在第一步的结果上采用基于误差传播的DRG方法 (Directed relation graph basedon error propagation,DRGEP)和计算奇异摄动法(Computational singular perturbation,CSP),构建了84组分271步基元反应;最后采用路径分析法在常压高温条件下分析其燃烧路径,对比详细机理和第二步的简化机理,去除不重要的反应路径(在本文工况中化学反应速率很小的基元反应)或者补入被前两步简化方法删减错的重要路径。最终获得的适合常压高温燃烧的三组分替代燃料简化机理为59组分和158步基元反应。结合RP-3煤油点火延迟时间和层流火焰速度等试验数据对三组分替代燃料简化机理进行了验证,结果表明,本文获得的三组分替代燃料简化机理数值计算结果与试验数据较吻合。最后,为了验证三组分替代燃料简化机理工程实用性,以本生灯预混燃烧火焰为物理模型,利用三组分替代燃料简化机理对以航空煤油为燃料的本生灯预混预蒸发燃烧进行了数值模拟,计算结果表明,该简化机理数值计算结果与试验数据吻合,且计算时间能在工程应用可接受范围内,因此说明本文获得简化机理组分和反应步数合理,计算精度较为准确。     

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。     

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。      

非平衡等离子体对甲烷点火和火焰传播影响的机理分析

为了探讨非平衡等离子体对甲烷点火和火焰传播速度影响,采用化学动力学模型GRI-Mech3.0,利用零维、均质、完全混合模型和火焰传播速度模型,对甲烷点火过程和火焰传播过程进行数值模拟,计算得到了非平衡等离子体生成自由基(O自由基和NOX自由基)对甲烷点火延迟时间和火焰传播速度的影响规律。结果表明:当分别加入0.5% O和0.5% NOX活性基时,点火延迟时间减少了约94.7%,63.1%(加入NO)和94.2%(加入NO₂)。通过反应路径分析和敏感度分析,揭示了非平衡等离子体生成自由基影响甲烷点火和火焰传播速度的化学反应机理。      

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.      

正癸烷燃烧详细反应机理的构建及简化

利用燃烧详细反应机理自动生成程序ReaxGen得到了正癸烷的388组分2226反应方程的详细燃烧机理,对此机理在不同压力和温度下的点火延迟时间进行了动力学分析,并与试验得到的点火延迟数据进行了对比,最后采用直接关系图法DRG得到了不同规模的骨架机理。计算发现:在温度大于1000K的情况下,给出的机理能比较好地模拟正癸烷的点火过程,预测到的点火延迟数据与试验符合较好,证明了反应机理自动生成程序在链烷烃部分是可信的;通过DRG分析得到的包含62组分422方程的骨架机理,其计算结果与详细机理吻合很好,而组分和反应方程分别减少了约84%和81%。此机理的计算时间有大幅的缩短,可用于进一步的CFD应用和机理简化。     

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).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.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步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计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

氢气添加对RP-3航空煤油着火特性的影响

为了揭示可燃小分子气体H2添加对RP-3航空煤油着火特性的影响,采用激波管实验装置对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间。以RP-3航空煤油的正癸烷、甲苯和丙基环己烷三组分模拟替代燃料的燃烧反应机理为基础,构建了RP-3/H2混合燃料的Zeng-Jachimowski燃烧反应机理,并对该机理进行了验证。采用该机理对RP-3/H2混合燃料多工况下的着火延迟时间进行计算与分析,结果表明:Zeng-Jachimowski机理可以较好预测高温条件下RP-3/H2混合气着火特性;当H2添加比小于70%时,着火延迟时间随H2添加缓慢减小,当H2添加比大于90%时,RP-3航空煤油/氢气混合气活性显著提升,着火延迟时间随H2添加急剧减小;通过对H,OH和O活性自由基的浓度及H自由基生成速率ROP分析解释了H2添加对RP-3航空煤油着火延迟时间的非线性影响。     

反应机理对湍流预混值班火焰稳燃影响的研究

针对反应机理对湍流预混值班火焰稳燃的影响,使用大涡模拟(LES)耦合输运概率密度(PDF)方法模拟了湍流射流火焰的燃烧流场。化学反应过程采用被广泛应用的SMOOKE (16组分,46步)和DRM22 (22组分,104步)机理,概率密度输运的确定采用欧拉随机场来实现。计算结果表明,LES/PDF模型可以准确地模拟该类火焰的速度分布,火焰褶皱等结构。反应机理的点火延迟时间的准确与否是模拟值班射流火焰的关键,预混射流出口处的小尺度掺混引起的点火和火焰传播过程是值班射流火焰稳燃的关键。     

正十烷简化机理的构建及其在发动机燃烧数值模拟中的应用

发动机燃烧室中燃料的能量释放与燃烧特性对于发动机设计具有重要作用,为了预测发动机点火包线和贫/富油极限等关键性能,迫切需要发展航空燃料及其典型组分的高精度化学动力学模型。本文针对燃料典型组分正十烷,采用自主开发的机理生成程序ReaxGen构建了其燃烧详细机理（1499种组分、5713步反应）。为了验证机理的合理性与可靠性,在当量比Φ=0.5-2.0,压力P=1-80 atm的宽工况条件下进行了点火延迟模拟验证,结果表明本文提出的正十烷详细机理在较宽的温度、压力和当量比条件下具有较高的模拟精度。为获得适用于发动机燃烧模拟的高精度简化机理,本文基于误差传播的直接关系图方法简化了正十烷燃烧详细机理,得到包含709种组分、2793步反应的正十烷半详细机理。进一步在高温范围（1000-1500 K）,采用路径通量分析方法简化得到含77种组分、359个反应的骨架机理。获得的骨架机理能够合理描述正十烷在高温下的燃烧特性,且该骨架机理尺度规模可用于基于火焰面模型的燃烧数值模拟。基于此高精度的骨架机理模型,结合火焰面生成流形湍流燃烧模型,采用大涡模拟方法进行了航空发动机环形燃烧室单头部扇形的燃烧模拟,初步获得了非稳态流场结构,其中温度模拟结果与实验值基本符合。     

乙烯简化化学动力学模型在HIFiRE燃烧室计算中的应用

为评估化学反应动力学模型对超燃冲压发动机计算结果的影响,首先利用基于"准稳态"假设方法建立了复杂化学反应动力学模型简化软件包(SPARCK),从详细模型出发得到了一个包含20组分16步总包反应的乙烯简化动力学模型.然后采用该简化模型和Princeton大学的简化模型对乙烯点火延迟时间进行了计算,对比显示两个简化模型计算结果基本一致,与实验测量结果均吻合较好,都能准确反映乙烯点火特性.但对HIFiRE燃烧室直连式实验的数值模拟结果显示两个模型计算得到的燃烧流场静温分布差别较大,内流道推力性能相差近12%.相比于Princeton大学的简化模型,SPARCK软件得到的简化模型计算的壁面压力分布与实验结果吻合更好,能够准确描述燃烧室流场现象.     

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。     

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.      

基于层流小火焰和beta-PDF的预混燃烧模型

研究了基于层流小火焰概念和假定beta-PDF(probability density function)的湍流预混燃烧模型.该模型采用PREMIX程序来计算层流小火焰,将计算结果表示为进程变量的函数,并利用进程变量的beta-PDF积分生成了用于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)计算的PDF表.以化学当量的甲烷湍流本生火焰为算例对模型进行了计算验证,并与Zimont模型的计算结果和实验结果做了对比.结果表明,平均速度分布与实验符合的较好,温度和湍动能计算结果有待改善.本模型高估了化学反应速率,导致计算火焰比实际瘦,这是因为模型中未能考虑湍流对火焰的拉伸和弯曲效应,考虑湍流拉伸和弯曲效应的预混燃烧模型是今后进一步研究的方向.      

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。     

小球藻油/RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性

在初始压力0.1 MPa、初始温度450 K和当量比范围0.8~1.2工况下,进行小球藻油及其与RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性研究。研究结果表明:随着当量比增加,小球藻油着火滞燃期缩短,拉伸火焰传播速度增加。与RP-3航空煤油相比,小球藻油无拉伸火焰传播速度峰值更偏向于浓混合气区域,且对当量比较为敏感,随着当量比增加,其无拉伸火焰传播速度变化显著。随着小球藻油含量增加,混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值右移,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值出现在当量比Φ=1.4附近。研究发现,与小球藻油和RP-3航空煤油单组分燃料相比,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料马克斯坦长度值变大,混合燃料具有较好的燃烧稳定性。      

固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素

采用试验和仿真方法,研究了固体燃料冲压发动机(SFRJ)自持燃烧的主要影响因素。研究结果表明:SFRJ内为典型的扩散火焰,化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值是影响发动机自持燃烧的关键参数,该值越小,扩散火焰越稳定;本文研究工况下,较小的后台阶高度即可保证发动机实现自持燃烧,后台阶稳定火焰的物理原因是在固体燃料表面附近形成一个低速区,保证了固体燃料的分解燃烧,当台阶高度为0时,由于化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值迅速增加,SFRJ无法自持燃烧;台阶高度较小时,点火过程会对SFRJ的稳定燃烧产生影响,SFRJ可能会出现熄火复燃现象。