RP-3航空煤油詳細化學反應機理初步研究

王慧汝

（中航空天發(fā)動機研究院有限公司，北京101304）

RP-3航空煤油詳細化學反應機理初步研究

王慧汝

（中航空天發(fā)動機研究院有限公司，北京101304）

準確預測航空發(fā)動機燃燒室中的點火/熄火現(xiàn)象及污染物排放，需要耦合詳細的化學反應動力學模型。鑒于RP-3航空煤油與國外Jet A航空煤油的物性參數(shù)較為接近，為初步研究RP-3航空煤油的化學動力學模型，選取Dagaut、Honnet、Lindstedt和Dooley等提出的Jet A的替代組分及其詳細反應機理，作為我國RP-3航空煤油化學反應機理的備選方案，并通過激波管模擬與實驗驗證、充分攪拌反應器模型的定性分析，對備選方案的適用性和準確性進行考核。結果表明：在給定的三種工況條件下，Honnet等提出的詳細化學反應機理模擬的點火延遲均與實驗值最為吻合。

燃燒室；RP-3航空煤油；替代組分；化學反應機理；激波管；點火延遲；充分攪拌反應器

1　引言

為準確模擬燃燒室內(nèi)的燃燒細節(jié)，并充分研究燃燒過程中某些重要中間產(chǎn)物對燃燒性能、燃燒穩(wěn)定性及污染物排放的影響，在對航空發(fā)動機燃燒過程進行數(shù)值模擬時，需要航空煤油詳細的化學反應動力學模型。但航空煤油本身是一種復雜的混合物，由成百上千個組分組成，主要包含鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴三大類［1］。由于產(chǎn)地、加工方式和用途不同，各國航空煤油的組成成分和比例都不完全固定。美國有Jet A、Jet A-1、JP-7、JP-8、JP-10等幾類航空煤油，法國的主要類型為TR0，英國為AVTUR，我國主要為RP-3。

對于不同類型的航空煤油，有不同的多組分替代方案。如Dagaut等［2］采用74%（摩爾分數(shù)）的正癸烷、15%的正丙基苯和11%的正丙基環(huán)己烷作為Jet A-1的替代燃油；Cathonnet等［3］采用78%（體積分數(shù)）的正癸烷、9.8%的環(huán)己烷和12.2%的甲苯來替代TR0煤油；Lindstedt等［4］采用89%（摩爾分數(shù)）的正癸烷和11%的苯（或者甲苯、乙苯）作為煤油型燃料的替代模型；Honnet等［5］采用80%（質(zhì)量分數(shù)）的正癸烷和20%的1，2，4-三甲基苯來替代煤油型燃料；Strelkova等［6］提出用72.7%的（質(zhì)量分數(shù)）正癸烷、9.1%的己烷和18.2%的苯來替代Jet A；Dooley等［7］發(fā)展了三組分的Jet A替代燃油模型，具體比例為42.67%（摩爾分數(shù)）的正癸烷、33.02%的2，2，4-三甲基戊烷和24.31%的甲苯；Montgomery等［8］提出了JP-8燃油的四組分替代模型，其摩爾分數(shù)分別是32.6%的正癸烷、34.7%的正十二烷、16.7%的甲基環(huán)己烷和16%的正丁基苯；Mawid等［9］提出用六組分（5%（體積分數(shù)）的甲基環(huán)己烷、20%的甲苯、25%的正癸烷、5%的標準異辛烷、25%的正十二烷和20%的正十四碳烷）作為JP-7/JP-8的替代燃油。對于國產(chǎn)航空煤油，范學軍等［10］選擇由49%（摩爾分數(shù)）的正十烷、44%的1，3，5-三甲基環(huán)己烷和7%的正丙基苯組成替代煤油研究其熱物理特性；廖欽［11］采用霧化激波管實驗，王蘇［12］、曾文［13］等采用加熱型激波管實驗，研究了國產(chǎn)煤油的點火延遲；肖保國等［14］提出用79%（摩爾百分比）的正十烷、13%的三甲基環(huán)己烷和8%的乙基苯作為RP-3航空煤油的完全替代模型。

總的來說，國外對航空煤油替代組分及其化學動力學已開展了多年的實驗和計算研究，我國對航空煤油化學反應機理的研究相對較少，目前還處于發(fā)展階段。本文對我國RP-3航空煤油的化學反應機理進行研究，研究思路為：經(jīng)過合理篩選，選取國外化學反應機理作為RP-3航空煤油反應機理的備選方案，再經(jīng)過RP-3航空煤油實驗驗證，獲得一定范圍內(nèi)可用的RP-3航空煤油的化學反應機理。

2　備選方案的選擇

以我國RP-3航空煤油的物性參數(shù)為基礎，綜合比對國外JP-7、JP-8、Jet A、Jet A-1航空煤油的物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Jet A-1航空煤油與RP-3航空煤油的物性指標參數(shù)最為接近，參見表1。而Jet A與Jet A-1航空煤油的主要物性參數(shù)基本一致，主要差別在于凝固點參數(shù)不同（Jet A：-40℃，Jet A-1：-47℃）［1］。因此，備選方案在Jet A、Jet A-1航空煤油的化學反應機理中選擇。同時，還必須遵循三個原則：一是能夠獲得完整的詳細反應機理，二是要有與反應機理相對應的熱力學數(shù)據(jù)庫，三是該反應機理要經(jīng)過相對較多的實驗數(shù)據(jù)校驗。

表1　RP-3航空煤油與Jet A-1航空煤油物性參數(shù)對比Table 1 Physical properties of RP-3 and Jet A-1 aviation kerosene

根據(jù)以上三個原則，本文從公開文獻中搜集到的備選方案如下：

（1）Dagaut反應機理［2］

Dagaut等提出的三組分替代燃油，其詳細反應機理總共包含209組分、1 673步反應。該反應機理在充分攪拌反應器中較寬廣的工況范圍內(nèi)進行了驗證，并成功預測了Douter等［16］的平面火焰實驗，合理地預測了Mullins［17］、Freeman［18］等的點火延遲數(shù)據(jù)。

（2）Honnet反應機理［5］

Honnet等提出的二組分替代燃油，其詳細反應機理包含118組分、914步基元反應。該反應機理經(jīng)過了激波管、快速壓縮機、充分攪拌反應器、產(chǎn)生穩(wěn)定預混火焰的燃燒器、自由傳播的預混火焰等實驗數(shù)據(jù)的驗證，也能用于預測非預混煤油的燃燒反應。同時，1996年Hewson等公布了較為詳細的NOX反應機理［19］，該反應機理綜合考慮了熱力、瞬發(fā)、N2O三個反應過程，以及NHX氧化為NOX的反應過程。由于兩個反應機理采用了相同類型的中間組分及熱力學數(shù)據(jù)庫，因此本文將二者綜合起來，得到總共包含131種組分、1 020步基元反應的詳細反應機理，簡稱為Honnet反應機理。

（3）Lindstedt反應機理［4］

Lindstedt等提出的二組分替代燃油由89%（摩爾分數(shù)）的正癸烷和11%的甲苯（簡稱Lindstedt 1方案）或乙苯（簡稱Lindstedt 2方案）構成，其詳細反應機理總共包含154組分、947步反應。該反應機理經(jīng)過了Douter等［16］的層流預混實驗數(shù)據(jù)的詳細驗證。

（4）Dooley反應機理［7］

Dooley等提出的三組分替代燃油，其詳細反應機理總共包含1 599組分、6 633步反應。其點火性能和碳氫比與實際的Jet A航空煤油幾乎一致，且該反應機理經(jīng)過了可變壓力流動反應器在不同溫度范圍下的驗證，對沖火焰熄火應變率的驗證，以及激波管、快速壓縮機中的點火延遲實驗驗證。

3　激波管實驗驗證

驗證氣相化學反應機理的方法，有激波管實驗、充分攪拌反應器實驗、層流預混燃燒實驗、對沖火焰實驗和預混火焰燃燒實驗等。由于加熱型激波管實驗不僅可以很好地控制實驗過程中的溫度、壓力、燃料濃度、當量比等關系參數(shù)，孤立組分輸運影響，而且還可以精確控制點火的起始時間點，實驗數(shù)據(jù)重復性好，因此本文首先用加熱型激波管來考察備選方案的詳細化學反應機理。

3.1驗證工況

文獻［12］中的實驗工況為：當量比0.5和1.0，氧氣體積分數(shù)5%和8%，氬氣稀釋，點火延遲數(shù)據(jù)歸一化到壓力101 325 Pa。實驗中以壓力傳感器測到反射激波的起跳時刻為時間零點，以OH自由基發(fā)射光強度信號上升變化率最大點所對應的時間作為點火延遲時間。

文獻［20］的實驗工況為：當量比1.0，氧氣體積分數(shù)為12.5%，氬氣稀釋，點火延遲數(shù)據(jù)歸一化到壓力101 325 Pa。與文獻［12］不同的是，該實驗中以CH自由基發(fā)射光強度信號上升變化率最大點所對應的時間作為點火延遲時間。

3.2模擬結果與實驗結果的比較

將Dagaut、Honnet、Lindstedt、Dooley等提出的反應機理和相應的動力學、熱力學參數(shù)，在反射式激波管模型內(nèi)進行化學反應動力學模擬。計算采用CHEMKIN程序包中的激波管計算模塊［21］，模擬條件與驗證工況相同，比較相應的點火延遲時間，結果如圖1所示。

從圖1（a）中可看出，利用Dagaut、Dooley反應機理模擬的RP-3航空煤油點火延遲與實驗值相差較大；利用Honnet、Lindstedt反應機理模擬的點火延遲與實驗值相對而言較為接近。這說明雖然Jet A航空煤油與RP-3航空煤油的一些物性指標相同，但化學組成仍有很大差別。由于Honnet、Lindstedt反應機理針對的是煤油型燃料，因此適用的航空煤油類型更多，計算結果也與RP-3航空煤油的實驗值更吻合。

圖1　不同反應機理模擬的點火延遲時間與實驗結果的對比Fig.1 Comparison betweenexperimental data and predictions of ignition delay time using various mechanisms

利用不同工況下的激波管實驗，進一步對Honnet、Lindstedt反應機理進行考核，結果如圖1（b）、圖1（c）所示。可見：Honnet反應機理模擬的點火性能與實驗值更為接近，尤其是在接近1 000 K附近時，Lindstedt反應機理誤差較大。這主要是由于Lindstedt反應機理屬于高溫反應機理，而Honnet反應機理添加了低溫段反應機理，所以預測結果更為準確。值得注意的是，Lindstedt反應機理中無論采用甲苯（Lindstedt 1）或乙苯（Lindstedt 2）作為芳香烴替代組分方案，兩者的點火性能相差很小，這說明替代煤油的點火延遲主要取決于替代組分中的鏈烷烴成分。綜上分析，初步選擇Honnet反應機理作為RP-3航空煤油的化學反應機理。

4　充分攪拌反應器模型定性分析

前文雖已通過激波管實驗從整體上驗證了Honnet反應機理描述我國RP-3航空煤油化學特性的正確性，但目前還沒有RP-3航空煤油充分攪拌反應器的相關實驗數(shù)據(jù)，故無法直接驗證Honnet反應機理描述反應細節(jié)的能力。鑒于Jet A-1與RP-3航空煤油的物性參數(shù)類似，Dagaut反應機理［2］已經(jīng)過Jet A-1航空煤油充分攪拌反應器的實驗驗證，因此本節(jié)通過進一步比較Dagaut反應機理與Honnet反應機理在充分攪拌反應器中的計算結果，定性分析Honnet反應機理模擬反應細節(jié)的能力。

計算采用CHEMKIN程序包中的充分攪拌反應器模塊［22］，其理論模型如圖2所示。工況參數(shù)選為101 325 Pa，進口溫度800 K，停留時間0.003 s，氧化劑為空氣，當量比在0.5～2.0之間。圖3給出了兩個反應機理計算的溫度值和摩爾分數(shù)大于0.001的組分。可見，兩個反應機理除了H、O自由基的計算結果有差別外，溫度值及其他主要組分的摩爾分數(shù)計算結果基本相同。這表明：雖然Dagaut反應機理描述的整體反應速度、反應路徑，可能與實際RP-3航空煤油不同（即不能描述RP-3航空煤油的點火特性），但在高溫情況下，所有大分子均會裂解成小分子進行反應，且Jet A-1與RP-3航空煤油的物性參數(shù)相類似，因此兩個反應機理計算得到的主要組分和溫度值一致。這從另一方面間接驗證了Honnet反應機理模擬RP-3航空煤油反應細節(jié)的能力。

圖2　充分攪拌反應器模型Fig.2 Perfectly stirred reactor model

圖3　Honnet和Dagaut反應機理在充分攪拌反應器中計算結果的比較（壓力101 325 Pa，停留時間3 ms，溫度800 K，當量比0.5～2.0）Fig.3Comparsion between computed results obtained with the Honnet and Dagaut mechanisms in a perfectly stirred reactor（pressure101 325 Pa，residence time 3 ms，temperature800 K，equivalence ratios between 0.5 and 2）

5　結論

通過對我國RP-3航空煤油進行的激波管模擬及實驗驗證，對備選方案的適用性和準確性進行了考核。結果表明：相比于Dagaut、Lindstedt和Dooley反應機理，Honnet反應機理模擬的點火延遲時間與實驗結果最為接近。同時，充分攪拌反應器的計算結果間接驗證了Honnet反應機理模擬RP-3航空煤油反應細節(jié)的能力。基于上述認識，認定Honnet等提出的替代組分及其反應機理，可以作為我國RP-3航空煤油詳細反應機理的替代方案之一。

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Preliminary investigation on detailed chemical reaction mechansim of RP-3 aviation kerosene

WANG Hui-ru
（AVIC Academy of Aeronautic Propulsion Technology，Beijing 101304，China）

Accurate numerical predictions of the ignition，extinction phenomena and pollutant emissions of a gas turbine combustor need detailed chemical kinetics model.A preliminary investigation on detailed chemical kinetics models of RP-3 aviation kerosene was conducted.Because of the physical properties similarity between RP-3 and Jet A aviation kerosene，the surrogate mixtures and their detailed mechanisms for Jet A kerosene offered by Dagaut，Honnet，Lindstedt and Dooley were chosen as alternative reaction mechanism of Chinese RP-3 aviation kerosene.The applicability and accuary of alternative schemes were examined by using the Chinese RP-3 kerosene experiment data obtained from shock tubes.The results show that ignition delay time predicted by the Honnet et al mechanism gives the closest agreement with data under three experimental condtions.

combustor；RP-3 aviation kerosene；surrogate；chemical reation mechanism；shock tube；ignition delay time；perfectly stirred reactor

V231.2

A

1672-2620（2015）05-0019-05

2014-12-24；

2015-10-17

王慧汝（1984-），男，山西長治人，高級工程師，博士，主要從事航空發(fā)動機燃燒數(shù)值模擬方法研究。