典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建.pdf
《典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 9 月第 44 卷 第 9 期推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYSept.2023Vol.44 No.92203106-1典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建*禹进1,2,郭凡军1,曹竣铭3,余彬彬4,于佳佳5(1.重庆交通大学 航空学院,重庆 400074;2.绿色航空能源动力重庆市重点实验室,重庆 401120;3.重庆交通大学 机电与车辆工程学院,重庆 400074;4.中国人民解放军陆军勤务学院 油料系,重庆 401331;5.重庆大学 能源与动力工程学院,重庆 400044)摘 要:针对航空煤油低温简化机理极其缺乏的问题,选取
2、正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯作为基础燃料,分别为S-8,Jet-A和RP-3航空煤油构建模型燃料,并利用官能团匹配方法确定基础燃料配比。针对传统解耦法采用C0-C3机理造成精度不高的问题,采用C0-C4机理耦合基础组分Cn-C5骨架子机理,然后利用实验数据优化Cn-C5骨架子机理的反应速率常数。通过机理简化方法,得到包含122个组分,725个反应的骨架机理,并对各组分机理进行了验证。最后,对构建航空煤油模型燃料的着火延迟时间、组分浓度演变数据和层流火焰速度进行了验证,结果表明所构建模型具有简洁和精准的优点,为高精度的燃烧反应流数值模拟研究奠定了基础。关键词:航空煤油;模型燃料;化学反应机
3、理;骨架机理;燃烧中图分类号:V511+.1;TK401 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)09-2203106-11DOI:10.13675/ki.tjjs.2203106Development of Surrogate Fuels and Skeletal Reaction Mechanism for Several Typical Aviation Kerosene FuelsYU Jin1,2,GUO Fan-jun1,CAO Jun-ming3,YU Bin-bin4,YU Jia-jia5(1.School of Aeronautics,Chongqing J
4、iaotong University,Chongqing 400074,China;2.Chongqing Key Laboratory of Green Aviation Energy and Power,Chongqing 401120,China;3.School of Mechatronics&Automobile Engineering,Chongqing Jiaotong Univeristiy,Chongqing 400074,China;4.Department of Oil,Army Logistics University of PLA,Chongqing 401331,C
5、hina;5.School of Energy and Power Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)Abstract:In order to solve the problem of lack of reduced mechanism for aviation kerosene at low temperature condition,n-dodecane,2,5 dimethylhexane and toluene were selected and formulated by directly matching
6、 functional groups for S-8,Jet-A and RP-3 surrogate fuels.In order to improve the precision of the decoupling methodology that using a reduced C0-C3 mechanism,a new methodology that constructed skeletal mechanism by integrating a detailed C0-C4 mechanism and Cn-C5 component skeletal mechanisms was p
7、roposed.And then,the rate constant of Cn-C5 reactions were optimized based on experimental data.Finally,the surrogate skeletal mecha*收稿日期:2022-03-19;修订日期:2023-01-09。基金项目:国家自然科学基金(52006020);火灾与爆炸安全防护重庆市重点实验室开放基金(LQ21KFJJ04);高温气体动力学国家重点实验室开放基金(2021KF14)。通讯作者:禹进,博士,副教授,研究领域为替代燃料模型。E-mail:引用格式:禹进,郭凡军,曹竣
8、铭,等.典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建 J.推进技术,2023,44(9):2203106.(YU Jin,GUO Fan-jun,CAO Jun-ming,et al.Development of Surrogate Fuels and Skeletal Reaction Mechanism for Several Typical Aviation Kerosene Fuels J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(9):2203106.)典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建第 44 卷 第 9 期2023 年2203106-
9、2nism which contains 122 species and 725 elementary reactions was obtained by using mechanism reduction scheme.After that,the skeletal mechanism was verified against various experiments for each individual surrogate component.Furthermore,the performances of present surrogate model were validated by
10、ignition delay times,species concentrations and laminar flame speeds.The present surrogate models have the advantages of simplicity and accuracy,which lay the foundation for high-precision combustion simulation.Key words:Aviation kerosene;Surrogate fuel;Chemical reaction mechanism;Skeleton mechanism
11、;Combustion1 引 言随着全球化经济发展、运输航空和通用航空“两翼齐飞”战略不断推进,全球航空运输业得到了蓬勃的发展,使得航空煤油消耗量急剧增加,造成了严重的能源危机和环境污染问题。而耦合计算流体力学和反应动力学的燃烧过程数值模拟对航空发动机的设计和优化起着非常重要的作用。因此,亟需发展航空煤油的化学反应机理来实现燃烧过程的数值模拟,从而达到提高燃烧效率和减低排放的目的。然而,航空煤油成分非常复杂,由上百种碳氢化合物组成,目前几乎不可能给所有的成分构建出详细反应机理。为此,采用模型燃料(Surrogate Fuel)的方法来为 复 杂 燃 料 构 建 反 应 机 理 成 为 一 种
12、有 效 的 手 段之一。目前常用模型燃料构建方法是性质参数匹配法,其主要思路是通过匹配宏观性质参数来确定基础燃料的配比。常见的匹配参数主要有氢碳比(/)、摩 尔 质 量(MW)、十 六 烷 值(DCN)、低 位 热 值(LHV)、碳烟值(TSI)、密度和黏度等。利用性质参数匹配的方法,Dooley等1和 Kim 等2为 Jet-A航空煤油构建了模型燃料及详细机理。在国内,郑东等3和毛业兵等4均采用性质参数匹配的方法为国产 RP-3航空煤油提出了模型燃料及其详细反应机理,取得了较好的效果。然而,匹配性质参数法过于依靠经验,不同学者选择不同的基础燃料和目标参数进行匹配,造成即使同一种目标燃料的模型
13、燃料的构建方式也常常大相径庭。此外匹配性质参数法的成本和复杂度较大。因而亟待发展具有广泛适用性的、统一的模型燃料构建方法。为此,禹进等5提出了基于官能团的模型燃料构建方法,来为 RP-3 航空煤油构建详细反应机理。详细机理的构建能作为简化机理的基础和起点,是最终获得简化机理的关键步骤。尽管详细反应机理能够提供准确的燃料氧化信息,然而采用详细机理进行多维燃烧模拟需要极大的计算成本和极长的计算时间,在目前的计算资源下是难以接受的,因此发展结构紧凑、性能可靠的简化或骨架化学反应机理来实现燃烧模拟至关重要。肖保国等6利用“准稳态”假设方法,得到高度简化的总包反应简化反应模型。曾文等7基于提出的详细机理
14、进行简化,得到了 88 组分和 281 个反应的 RP-3模型燃料高温机理。陈登炳等8利用多种机理简化方法得到 59 组分和 158 个基元反应的 RP-3 模型燃料高温机理。徐佳琪等9通过物质产率分析方法和近似轨迹优化算法获得 138 个组分和 530 个反应的RP-3 高温燃烧机理。Strelkova 等10为 Jet-A 提出了25 组分和 38 个反应的高温简化机理用于数值模拟。上述机理的构建极大地促进了航空煤油燃烧数值模拟研究。然而,目前报道的文献主要是针对高温反应条件进行简化,而能反映低温着火特性的简化机理的报道极少。对于液滴喷雾燃烧过程,亟需构建能够同时反映低温着火和火焰传播等特
15、性的航空煤油简化机理用于仿真模拟。本文首先采用基于官能团相似的模型燃料方法来为 S-8,Jet-A 和 RP-3航空煤油发展具有广泛适用性的、统一的模型燃料,确定基础燃料及配比。基于模型燃料,构建出能够同时反映其低温着火特性和高温氧化特性的高精度的模型燃料骨架反应机理。该骨架机理能够同时应用于三种不同的航空煤油,为 航 空 煤 油 宽 工 况 范 围 的 高 精 度 数 值 模 拟 奠 定基础。2 模型燃料的配比本文选取的目标燃料分别为 S-8,Jet-A 和 RP-3航空煤油,其中 Jet-A 是北美地区使用的民用航空煤油,而 RP-3是我国军用和民用航空燃料。虽然 Jet-A和 RP-3
16、航煤都是从石油提炼而来,但他们的成分有较大的差异。S-8 是利用天然气为原料,通过 Fischer-Tropsch(F-T)等工艺制备的可再生人工合成燃料,被广泛应用于军用飞机。S-8,Jet-A 和 RP-3 航空煤油的碳氢族分布如图 11,3,11所示,Jet-A 和 RP-3航空煤油的碳氢族分布比较类似,都是由直链烷烃、推进技术2023 年第 44 卷 第 9 期2203106-3支链烷烃、环烷烃以及芳香烃等构成。S-8是人工合成航空煤油,其主要成分与石油提炼的航油有较大差异,其主要成分为直链烷烃、支链烷烃和极少量的环烯烃,而不含有芳香烃成分。本文选取这三种典型的航空煤油作为研究对象,为
17、其构建相应的模型燃料。本文首先采用官能团相似的模型燃料方法来为这三种典型的航空煤油确定基础燃料及配比。考虑到目标燃料的分子结构基本组成,选取 CH3,CH2,CH 和苯基四种官能团作为模型燃料构建的匹配目标。接下来就是选取基础燃料来匹配目标燃料的官能团。虽然可能会有多种基础燃料选取方案能匹配官能团种类和数量,然而受到基础组分是否具有可靠的化学反应机理的限制,能够备选的基础燃料就大大减少。再考虑简单性与经济性,选用正十二烷和 2,5-二甲基己烷作 S-8 模型燃料的基础燃料。Jet-A 和 RP-3航空煤油相比 S-8含有大量的芳香烃,因此增加甲苯作为基础燃料。最后通过匹配优化基础燃料与目标燃料
18、的官能团数量来确定各基础燃料的比例。最终匹配结果如表 1 所示,S-8 的模型燃料为 58.1%正十二烷/41.9%2,5-二甲基己烷,Jet-A 和 RP-3 航空煤油的模型燃料配比分别为 50.9%正十二烷/21.9%2,5-二甲基己烷/27.2%甲苯和 54.3%正十二烷/32.1%2,5-二甲基己烷/13.6%甲苯。从表 1 可以看出,在匹配官能团后,Jet-A 和 RP-3 的 H/C 和 MW 会自动良好地匹配。S-8燃料的 MW 有一点偏小,这是由于长链基础燃料的可靠反应机理缺乏,使得长链基础燃料选取受限所致。3 反应机理构建及验证3.1 反应机理构建在构建骨架机理时,主要参考常
19、亚超等12提出的解耦法来得到紧凑的燃料氧化动力学机理。在解耦方法中,机理主要由两部分构成:C0-C3核心机理,其中包括详细的 C0-C1机理和 C2-C3简化机理;另一部分是人工构建描述燃料分子氧化热解的 C4-Cn子机理,所有产物均为实验数据优化的核心机理和反应速率常数。Dooley等1指出在燃烧过程中,中间物种产物分布是影响自由基池最重要的影响因素,进而影响实际燃料的燃烧动力学现象学行为。然而,Zhang 和 Sarathy13认为,解耦法中 C2-C3简化机理和C4-Cn骨架机理不能准确描述各种关键中间组分的反应。因而,Zhang和 Sarathy13和 Fang等14都采用详细的 C0
20、-C4机理来构建模型燃料。因此,为了平衡 CFD模拟中的计算成本和精度,本文模型燃料机理构建基于如下步骤:在详细的 C0-C4核心机理上,构建正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯的半全局子机理;通过消除不重要的物种和反应,减小详细的 C0-C4核心机理的大小。骨架机理的主要反应路径如图 2 所示。本文选取经过最新的更新优化过的 AramcoMech 3.0 C0-C4详细机理15作为核心机理。在详细的 C0-C4核心机理的基础上,构建正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯的骨架子机理。正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯的骨架子机理的构建主要参考常亚超等12提出的基本原则:不同的同分异构体用一个集总物
21、质来表示;用代表性的反应来描述燃料的主要氧化途Table 1 Comparison of functional group content and main parameters of S-8,Jet-A,RP-3 and their model fuelsFuelS-8Jet-ARP-3TypeSurrogate fuelReal fuel 11Surrogate fuelReal fuel 1Surrogate fuelReal fuel 3Composition(%mol)58.1%n-dodecane/41.9%2,5-dimethylhexaneparaffin,cyclic alk
22、anes50.9%n-dodecane/21.9%2,5-dimethylhexane/27.2%tolueneparaffin,cyclic alkanes,aromatics,napthalenes54.3%n-dodecane/32.1%2,5-dimethylhexane/13.6%tolueneparaffin,cyclic alkanes,aromatics,napthalenesH/C2.192.171.981.962.092.10MW/(g/mol)146.5163 15136.514220144.7148.3Fig.1Distribution of molecular cla
23、ss for S-8,Jet-A,and RP-31,3,11典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建第 44 卷 第 9 期2023 年2203106-4径;通过调整相应反应的速率参数来补偿去除异构体和非必需反应途径的影响。正十二烷主要参考Fang 等14的正十二烷机理路径,加入了链烷烃的高温直接裂解路径,同时优化了高温裂解的中间组分物质。2,5-二甲基己烷己烷主要参考常亚超等12提出异辛烷反应路径,大分子物质裂解后的中间组分修正为如 IC4H8和 IC4H9等 C0-C4机理。甲苯参考常亚超等12提出甲苯反应路径进行优化,同时将原机理中的C5H5+O=C2H2+C2H3+CO 替换为实际
24、详细反应机理存在的C5H5+O=C4H5-N+CO,从而使得预测精度提高。模型燃料采用的是详细的 C0-C4机理,包含几百个组分和上千个反应。因此有必要采用机理简化手段,将 C0-C4机理中不重要的组分消去。本文利用课题组自己编写的代码,采用 PFA16方法对该模型燃料机理进行初步简化,然后再采用 Chemkin 自带的 FSSA17简化方法进行进一步简化。PFA 和 FSSA 的简化工况相同,都采用着火延迟时间作为简化的参数,工况采用当量比=0.52,压力 p=0.14MPa,温度 T=6501800K条件。在简化之前,需要确定要保留的目标组分。目标组分的选定对最终简化效果有重大的影响。在机
25、理简化时,除了初始燃料、氧气和最终产物作为目标组分外,OH,HO2,CO和 CH2O被选择作为目标组分来更好地保留低温反应机理。同时,H 自由基和其它高火焰速度敏感性物质,如甲苯的 C2H2,C3H4-P 等,正十二烷的 HCO 等物质也被作为目标组分来提高简化机理的高温火焰的预测精度。简化过程中先要保证每种基础燃料的机理都能保持较高精度,然后再将各个基础组分的机理耦合在一起。最终得到了包含 122 个组分,725 个反应的航空煤油骨架机理。3.2 基础组分机理验证对于多组分的模型燃料机理,首先需要保证能准确描述模型燃料中各组分的燃烧过程,才能较好地描述其混合物的燃烧过程。本节对正十二烷、2,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 典型 航空 煤油 模型 燃料 及其 骨架 反应 机理 构建
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。