【摘 要】
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航空发动机再生冷却通道内碳氢燃料的裂解结焦问题严重影响了发动机的使用寿命和运行效能。碳氢燃料裂解结焦的起始步骤,即结焦前驱体(PAHs)的生成问题是解决结焦问题的关键。目前的研究中以某种PAHs的生成路径或单一成分的生成路径为主,并没有完备的、成体系的、高苯环数的PAHs生成机理,所以建构生成PAHs的详细化学反应动力学机理是非常必要的。由于航空煤油的复杂组分和复杂化学反应,需要构建替代模型来简化
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航空发动机再生冷却通道内碳氢燃料的裂解结焦问题严重影响了发动机的使用寿命和运行效能。碳氢燃料裂解结焦的起始步骤,即结焦前驱体(PAHs)的生成问题是解决结焦问题的关键。目前的研究中以某种PAHs的生成路径或单一成分的生成路径为主,并没有完备的、成体系的、高苯环数的PAHs生成机理,所以建构生成PAHs的详细化学反应动力学机理是非常必要的。由于航空煤油的复杂组分和复杂化学反应,需要构建替代模型来简化化学反应过程。依托于此构建的国产RP-3型航空煤油四组分替代模型及其含有PAHs生成的裂解化学反应动力学机理将为结焦问题的详细化、机理化打下基础。首先,在现有研究的基础上,构建PAHs的生成机理。该机理含有347种物质、407步反应,其稳定产物最终可以达到A6(6个苯环结构)级别。在Chemkin Pro中使用零维闭相反应容器对该机理的反应过程进行分析,阐明PAHs的生长过程。并使用丁烷的预混火焰实验结果验证该机理的准确性。其次,针对不同构型的纯质燃料裂解生成PAHs的过程和生成量进行分析。本文选择正癸烷、正十六烷和甲基环己烷作为较短、较长的直链烷烃和环烷烃的代表。首先和实验数据进行对比,证明PAHs生成的子机理对于原裂解机理无较大干扰,并能有效提升拟合精度。其次在相同的反应工况下,比较三者生成PAHs的摩尔数差异。两种直链烷烃的差异体现在A4-A6级PAHs,环烷烃和直链烷烃的差异体现在A1-A2级PAHs。并分析三种纯质燃料生成PAHs的反应路径占比差异,给出其差异出现的原因。原因为限制环烷烃生成高级PAHs的因素是小分子不饱和烃,限制直链烷烃生成低级PAHs是苯环的构成,较长直链烷烃生成高级PAHs受到逆反应影响严重。最后,构建含PAHs生成机理的RP-3混合燃料裂解机理。根据RP-3型航空煤油的理化特性,构建四组分替代燃料模型,其组分为摩尔分数60%的正癸烷、15%的正十六烷、15%的甲基环己烷、10%的1,2,4-三甲基苯。开发含有PAHs生成的RP-3裂解机理,含有869种物质、5248步反应。根据RP-3的常压裂解实验结果和其他机理的对比证明该机理的准确性。根据数值模拟结果分析RP-3和纯质燃料在裂解过程中生成PAHs的摩尔数差异性,并根据化学反应路径分析给出原因。
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