RP-3航空煤油替代燃料及其化學反應動力學模型

鄭 東 于維銘, 鐘北京,*(清華大學航天航空學院,北京00084;北京汽車集團產業投資有限公司,北京000)

[Article]

RP-3航空煤油替代燃料及其化學反應動力學模型

鄭 東1于維銘1,2鐘北京1,*
(1清華大學航天航空學院,北京100084;2北京汽車集團產業投資有限公司,北京100021)

本文提出了40%(摩爾分數,下同)正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環己烷和5%對二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通過實驗充分驗證了替代燃料模型與實際RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.采用對沖火焰實驗臺架,測量了RP-3航空煤油以及四組分替代燃料的層流火焰傳播速度.對比結果表明本文提出的替代燃料能夠準確描述實際RP-3航空煤油的燃燒速率.進一步發展了包含168組分、1089反應的半詳細反應動力學模型,驗證結果表明本文機理能夠準確預測RP-3航空煤油著火延遲時間和火焰傳播速度.

RP-3航空煤油;替代燃燒;反應機理;火焰傳播速度;對沖火焰

1 引言

航空發動機燃燒室中燃油的著火和燃燒過程是一個非常復雜的湍流化學反應過程.1航空發動機存在燃燒不穩定性,以及高密度、高稀釋度、超稀薄、高馬赫數等極端條件下點火困難等問題,都與燃燒室內復雜的湍流燃燒過程密切相關.湍流燃燒問題的核心是湍流與化學反應的相互作用.要研究湍流與化學反應相互作用,燃料燃燒化學反應機理是基礎.因此發展航空煤油化學反應動力學模型對于深入理解航空發動機湍流燃燒機制,闡明湍流與化學反應的相互作用機理具有極其重要的理論和實際意義.

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

航空煤油是C7-C16大分子碳氫復雜烴類的混合物,包含鏈烷烴(直鏈烷烴與支鏈烷烴)、環烷烴以及芳香烴等成百上千種組分.2由于原油產地、加工工藝以及添加劑的不同,各國、各型號、甚至各批次的航空煤油的組分也不盡相同.圖1給出了歐美常用的航空煤油JP-8、Jet-A,以及國產航空煤油RP-3不同烴類的構成比例.2-4由圖可見,國內外不同型號航空煤油的烴類構成比例存在較大差異,其具體的組分構成差別就更明顯了.鑒于航空煤油成分的復雜性,無法針對某種航空煤油直接構建其化學反應動力學模型.行之有效的方法是從復雜的航空煤油中選取一種或幾種具有代表性的成分作為航空煤油替代燃料的組分,進而構建其詳細替代燃料的化學反應機理.這也是研究汽油、柴油等大分子碳氫復雜燃料化學反應機理的慣用做法.5-7表1列舉了目前部分常見的國內外航空煤油替代燃料及其化學反應動力學模型.8-14

圖1 JP-8,Jet-A和RP-3烴類組成Fig.1 Molecularclass compositions of JP-8,Jet-A,and RP-3

表1 航空煤油替代燃料及其化學反應動力學模型Table 1 Aviation kerosene surrogate fuels and chemical reaction kinetic models

單組分的正癸烷或者正十二烷是最簡單的航空煤油替代燃料,Dagaut等8在攪拌反應器(JSR)中研究了Jet-A和正癸烷的氧化特性,發展了包含90組分和573反應的正癸烷反應機理作為Jet-A替代燃料的反應機理.隨后許多研究者提出了包含鏈烷烴、環烷烴、芳香烴的多組分航空煤油Jet-A和JP-8替代燃料,并發展了相應的詳細和簡化反應動力學模型,其規模從上百組分到幾千組分不等.9-12國內對于多組分RP-3航空煤油替代燃料及其化學反應機理的研究還比較少.肖保國等13提出了一個79% (摩爾分數,下同)正癸烷、13%三甲基環己烷和8%乙基苯的三組分RP-3航空煤油替代燃料模型(近似分子式C9.71H20.52),并發展了包含109組分和946反應的動力學模型.曾文等14在Dagaut三組分Jet-A替代燃料模型15的基礎上,提出由65%(體積分數)正癸烷、10%甲苯、25%丙基環己烷組成的三組分RP-3航空煤油替代燃料模型,相應地發展了150組分和591反應的動力學模型.

綜合分析國內外研究現狀不難發現,國產RP-3航空煤油替代燃料及其反應機理的研究與國外存在較大差距.國內鮮有的幾個多組分替代模型均是基于物理特性或是參考國外模型發展的,其平均碳原子數與實際國產航空煤油相差較大,而且其反應機理的驗證也不夠充分.能否描述國產RP-3航空煤油的化學反應動力學特性尚需進一步研究.因此,本文在考慮RP-3航空煤油組成成分、物理特性和化學特性的基礎上,提出一個能夠描述實際RP-3理化特性的多組分替代燃料,通過測量火焰傳播速度進行驗證.進而發展相應的半詳細反應動力學模型,并驗證其著火和燃燒特性.

2 RP-3航空煤油替代燃料模型

2.1 RP-3航空煤油成分和物理特性分析

Edwards和Maurice16建議預測實際燃油物理特性和著火、燃燒、污染物生成等化學特性的替代燃料應采用多組分,而且其組分要與實際燃油的重要成分相匹配.我們首先對RP-3航空煤油的組成成分進行詳細分析.RP-3航空煤油樣品來自于中石化北京燕山石油化工分公司,通過色譜-質譜(GC-MS)聯用儀確定樣品中含量最大的前100種組分及其相對體積分數.根據GC-MS分析結果,國產航空煤油RP-3的不同烴類體積分數如圖2所示.其中比例最高的是鏈烷烴為53.0%,平均碳原子數為10.8.其次是環烷烴為37.7%,平均碳原子數為10.2.而芳香烴含量只有4.6%,低于國外JP-8和Jet-A航空煤油.

圖2 GC-MS分析RP-3的成分組成(體積分數)Fig.2 Molecular class compositions(volume fraction)of RP-3 as identified by gas chromatography-mass spectrometer(GC-MS)analysis

表2 RP-3物理特性分析結果Table 2 Analysis results for RP-3 physical properties

然后對RP-3的一些基本的物理特性進行了分析.表2給出了本文測量的結果和文獻17中給出的一些物理特性.由表2可見,本文實驗測量結果與文獻中的結果較為一致,但也存在一定差異.除了測量誤差外,主要的原因可能是實驗中所采用的RP-3樣品來自不同產品批次.

2.2 RP-3航空煤油替代燃料模型

發展一個多組分RP-3航空煤油替代燃料模型,首先要確定其代表性組分.本文選取代表性組分的兩個原則是:其一,代表性組分在實際航空煤油中含量較高,或者能夠綜合反映實際航空煤油中這種烴類所有組分的平均特性.其二,代表性組分的理化特性與實際航空煤油接近,或者通過與其它烴類代表性組分調配所得到的混合燃料的理化特性與實際航空煤油接近.首先,由上述成分分析可知, RP-3航空煤油中鏈烷烴比例最高,對航空煤油理化特性的影響也很大.因此我們選擇正癸烷和正十二烷兩種成分作為RP-3航空煤油鏈烷烴的代表性組分.這樣的選擇一方面是因為十二烷碳原子數較高,容易與正癸烷調配出與實際燃油中比較接近的鏈烷烴平均碳原子數;另一方面是因為正十二烷的粘度和蒸發溫度與實際航空煤油相匹配(見表3).其次,考慮到乙基環己烷的碳原子數比甲基環己烷多,而且乙基環己烷的密度與RP-3很接近(見表3),因此選擇乙基環己烷作為RP-3航空煤油環烷烴的代表性組分.雖然芳香烴類物質在RP-3中所占比例不高,但其對實際航空煤油的著火與污染物排放有較大影響.相對于甲苯而言對二甲苯的碳原子數較多,且其密度較大(見表3).因此選擇對二甲苯作為RP-3航空煤油芳香烴的代表性組分.對二甲苯的加入可以使得替代燃料的密度與RP-3航空煤油密度更接近.由于烯烴和醇類物質在RP-3航空煤油的含量較少,現有的航空煤油替代燃料均舍棄這些成分(見表1),因此本文也未考慮這兩種成分.最終本文選擇正癸烷、正十二烷、乙基環己烷和對二甲苯四種組分作為RP-3航空煤油的代表性組分,其特性參數如表3所示.

表3 RP-3代表性組分特性參數Table 3 Property parameters of the representative species of RP-3

確定了RP-3航空煤油的代表性組分后,我們進一步需要確定四種代表性組分的比例.方法是:選取實際燃料重要的理化特性參數,通過優化各代表性組分的比例,使得替代燃料的理化特性參數值與對應所選取的實際燃料的特性參數值相匹配,從而確定替代燃料各組分的比例.由于氣相燃料的擴散特性取決于其分子量,18為了能夠再現實際航空煤油在氣相燃燒中的擴散特性,替代燃料的平均分子量應該接近實際燃料的平均分子量;碳氫比反映了燃燒生成物中CO2和H2O的比例,決定了燃料反應生成焓以及絕熱火焰溫度.而絕熱火焰溫度與燃燒速率以及其它燃燒現象密切相關.4換而言之,碳氫比是反應燃料燃燒速率以及其它燃燒現象的重要特性參數;在兩相流燃燒中,密度和粘度對于燃料的霧化、蒸發過程有較大影響,為了能夠描述實際航空煤油在兩相流燃燒中燃料的霧化、蒸發過程,替代燃料的密度和粘度應該與實際燃料相匹配.因此選擇平均分子量、碳氫比、密度以及粘度為所要匹配的理化特性參數.采用試驗和計算相結合,經過多次試驗,最終確定了正癸烷、正十二烷、乙基環己烷和對二甲苯四種組分的摩爾分數分別為40%、42%、13%和5%.

將本文提出的摩爾分數分別為40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環己烷和5%對二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料的理化特性進行了測量和計算,并與實際RP-3航空煤油的實驗結果進行比較,結果如表2所示.由表2可見,本文提出的四組分RP-3航空煤油替代燃料的平均分子式、平均分子量、碳氫比、密度、粘度以及蒸發溫度均與實際RP-3航空煤油相近.

3 航空煤油及其替代燃料火焰傳播速度

在上一節中,我們提出了四組分RP-3航空煤油替代燃料,并通過對比驗證了部分理化特性參數與實際RP-3航空煤油的相似性.本節我們將進一步驗證替代燃料和實際RP-3航空煤油燃燒特性的相似性.眾所周知,火焰傳播速度是表征燃料燃燒特性的重要參數,因此,我們將通過對比替代燃料和實際RP-3航空煤油的火焰傳播速度來驗證它們燃燒特性的相似性.

四組分RP-3航空煤油替代燃料和實際RP-3航空煤油與空氣預混氣的層流火焰傳播速度采用對沖火焰進行測量.圖3所示為液體對沖火焰實驗臺系統的示意圖,主要包括燃料輸送系統、空氣輸送系統、空氣加熱裝置、燃料與高溫空氣混合裝置、混合氣輸送系統、示蹤粒子裝置、噴嘴系統、測量系統等.空氣經過流量計,進入預熱器加熱至預設溫度,而后送至混合裝置.與此同時燃料經由注射泵,送入混合裝置.燃料在混合裝置中迅速蒸發,并與空氣充分混合,形成均勻的預混氣.預混氣通過配氣管路,均勻送至上下兩個對稱布置的噴嘴.在離噴嘴一定距離處著火燃燒,形成穩定的對沖火焰.通過三維粒子動態分析儀,測得對沖火焰中心軸線的速度分布,進而獲得某一拉伸率下的層流火焰傳播速度.然后通過線性外推,即可得到無拉伸層流火焰傳播速度.19

圖3 液體燃料對沖火焰實驗系統圖Fig.3 System diagram of counterflow twin-flame configuration for liquid fuels

實驗條件如下:0.1 MPa,燃料/空氣預混氣初溫設定為403 K,燃料流量范圍為67.9-238 mL·h-1,空氣流速范圍為0.88-1.44 m3·h-1,化學計量比范圍為0.7-1.4.實驗操作、數據處理以及誤差分析方法詳情參考文獻.19圖4給出了實驗測量的四組分RP-3航空煤油替代燃料/空氣和實際RP-3航空煤油/空氣預混氣在不同化學計量比下的層流火焰傳播速度.由圖4可知,在工況相同的情況下,在化學計量比0.9-1.3的范圍內,替代燃料和RP-3煤油的火焰傳播速度差別不大,化學計量比小于0.9和大于1.3時,替代燃料的火焰傳播速度略小于RP-3煤油.考慮到實驗上的誤差,可以認為在預混氣相同壓力和初始溫度下,四組分替代燃料和RP-3煤油具有相同的火焰傳播速度,說明兩者的燃燒特性非常相似.

圖4 替代燃料和實際RP-3火焰傳播速度測量結果Fig.4 Experimental laminar flame speeds of surrogate fuels and real RP-3

4 替代燃料詳細化學反應機理及其驗證

4.1 RP-3替代燃料詳細反應機理構建

我們依據上述提出的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型構建其半詳細的反應動力學模型.由于替代燃料模型中代表性組分均為大分子碳氫燃料,其C3以下反應機理(核心機理)基本一致,因此構建多組分機理即發展通用性好的核心機理和代表性組分的子機理.這樣所有代表性組分子機理與核心機理整合,就得到多組分航空煤油化學反應機理.

由于小分子碳氫燃料的化學反應機理得到廣泛的研究,其中Wang等20發展的USC-Mech II是一個得到普遍應用和廣泛認可的小分子碳氫燃料反應機理.該機理包含了H2/CO/C1-C4詳細反應機理,由111組分、784反應組成.并經過著火延遲時間、火焰傳播速度以及火焰結構等大量的實驗驗證.因此本文直接采用USC-Mech II作為核心機理.

因此,本文的主要工作是在核心機理的基礎上,進一步構建替代燃料模型中大分子碳氫組分的子機理.首先,針對鏈烷烴代表性組分正癸烷和正十二烷,從高、低溫兩個方面進行子機理的構建. You等21以USC-Mech II為核心機理構建了包含正癸烷和正十二烷的反應機理,并對高溫條件下的著火延遲時間、火焰傳播速度、組分分布進行了詳細驗證.鑒于該機理采用的核心機理與本文相同,而且能夠準確描述高溫氧化過程.因此,本文通過反應路徑和靈敏度分析(零維均質模型,初始溫度1200 K),提取出其C12/C10-C4高溫氧化過程的重要反應路徑及其主要基元反應,即構成了本文正癸烷和正十二烷高溫反應的子機理.低溫子機理考慮如圖5所示的集總反應過程,對應的反應動力學參數來源于Jia等22的正辛烷到正十六烷反應機理.

其次,對于環烷烴代表性組分乙基環己烷,采用上述相同的分析方法,從Sirjean等23發展的包含352組分、2083反應的JetSurF 1.1詳細反應機理中提取出乙基環己烷的重要氧化反應路徑及其主要基元反應,即構成乙基環己烷氧化過程的子機理.

最后,對于芳香烴代表性組分對二甲苯,則以先前發展的多組分汽油替代燃料反應機理24,25中甲苯機理為基礎,添加對二甲苯氧化裂解至甲苯、苯、乙基苯的反應機理.即構成對二甲苯氧化機理.添加部分的機理主要來源于李玉陽26發展的低壓預混火焰中對二甲苯氧化、裂解反應機理,以及Gail和Dagaut27提出的攪拌反應器中對二甲苯的氧化機理.

至此,本文構建了正癸烷、正十二烷、乙基環己烷和對二甲苯四種組分的反應子機理(見Supporting Information),通過與核心機理進行整合,并剔除冗余或重復的組分和反應,最終得到一個包含168組分和1089反應的多組分RP-3航空煤油替代燃料的半詳細反應動力學模型,其合理性的驗證見下一節.

圖5 低溫氧化過程集總反應機理Fig.5 Lumped kinetic scheme of the low-temperature oxidation reactions ket:ketohydroperoxide

圖6 計算的RP-3航空煤油和替代燃料火焰傳播速度與實驗結果比較Fig.6 Comparison of experimental and calculated laminar flame speeds of RP-3 aviation kerosene and surrogate fuels

圖7 不同初始溫度下計算的RP-3航空煤油著火延遲時間與實驗結果比較Fig.7 Comparison of experimental and calculated ignition delay times of RP-3 aviation kerosene at different initial temperatures

4.2 RP-3替代燃料詳細反應機理驗證

一個反應機理有效性的重要標志之一就是準確預測燃料著火延遲時間和火焰傳播速度.本文依據現有的實驗結果詳細比較了RP-3航空煤油的著火延遲時間、火焰傳播速度.計算是在化學反應動力學程序CHEMKIN28上完成的.對于著火延遲時間和火焰傳播速度的計算,分別采用零維均質模型和一維預混火焰模型.

圖6對比了初始壓力為0.1 MPa、溫度為403 K、化學計量比范圍為0.7-1.4時計算的RP-3航空煤油替代燃料的火焰傳播速度與本文的實驗測量值.由圖6可以看出,本文半詳細機理能夠準確預測RP-3替代燃料的火焰傳播速度,并能很好地描述實際RP-3航空煤油的燃燒速率.

曾文等14利用激波管實驗臺架詳細測量了不同初始壓力、化學計量比下,RP-3著火延遲時間隨溫度的變化曲線.圖7給出了本文機理預測的RP-3著火延遲時間,并與曾文等的實驗結果進行了比較.由圖7可見,化學計量比為0.5時,本文機理預測的RP-3著火延遲時間與實驗值一致.而化學計量比為1.0時,本文機理的計算結果略小于實驗測量值.但總體而言,本文機理能夠較為準確地預測實際RP-3航空煤油的著火延遲時間,反映了實際RP-3航空煤油的著火特性.與此同時,也間接反映了四組分替代燃料模型能夠預測實際RP-3航空煤油的著火特性.

5 結論

以國產航空煤油為對象,提出了摩爾分數分別為40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環己烷和5%對二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通過實驗充分驗證了替代燃料模型與實際RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.

采用對沖火焰實驗臺架,測量了不同化學計量比下RP-3航空煤油、以及本文提出的四組分替代燃料的層流火焰傳播速度.對比結果表明本文提出的替代燃料能夠準確描述實際RP-3航空煤油的燃燒速率.

在四組分替代燃料模型的基礎上,進一步發展了包含168組分、1089反應的半詳細反應動力學模型,并用著火延時間和火焰傳速度對機理進行了充分驗證.驗證結果表明本文的反應機理能夠較準確地預測RP-3航空煤油的著火延遲時間和火焰傳播速度,較好地預測RP-3航空煤油著火和燃燒特性.

Supporting Information:Sub-mechanisms have been included.This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

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RP-3 Aviation Kerosene Surrogate Fuel and the Chemical Reaction Kinetic Model

ZHENG Dong1YU Wei-Ming1,2ZHONG Bei-Jing1,*
(1School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China;2BAIC Group Industrial Investment Co.,Ltd.,Beijing 100021,P.R.China)

A four-component RP-3 aviation kerosene surrogate fuel,comprising 40%n-decane/42%ndodecane/13%ethycyclohexane/5%p-xylene(molar fraction),was presented.Experiments showed the physical and chemical similarity of the surrogate fuel to the real RP-3.Counterflow,twin-flame experiments were used to determine the laminar flame speeds of both the real and the surrogate fuel and showed that the surrogate fuel accurately modeled the burning rate of real RP-3.Asemi-detailed chemical reaction mechanism for ignition and oxidation of the RP-3 surrogate fuel that consists of 168 species and 1089 elementary reactions has been developed.Experimental results validate the model and highlight its ability to accurately predict the ignition delay times and laminar flame speeds of real RP-3.

RP-3 aviation kerosene;Surrogate fuel;Reaction mechanism;Laminar flame speed; Counter-flow flame

O643

10.3866/PKU.WHXB201501231www.whxb.pku.edu.cn

Rceived:October 13,2014;Revised:January 22,2015;Published on Web:January 23,2015.

?Corresponding author.Email:zhongbj@tsinghua.edu.cn;Tel:+86-10-62772928.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(91441113).

國家自然科學基金(91441113)資助項目