超臨界壓力下RP-3單一組分替代模型研究

齊建偉（遼寧師范大學附屬中學，遼寧大連116000）

超臨界壓力下RP-3單一組分替代模型研究

齊建偉（遼寧師范大學附屬中學，遼寧大連116000）

本文采用SUPERTRAPP軟件對吸熱型碳氫燃料RP-3的三種單一組分替代模型在超臨界壓力下不同工況的密度、黏度和定壓比熱容進行計算，并把計算結果與RP-3的物性測量實驗數據對比驗證不同單一組分替代模型對航空煤油RP-3在熱物性上的預測性能。結果發現不同單一組分替代模型均能準確預測出RP-3在擬臨界溫度下的物性變化，從不同物性的預測性能綜合評估認為正癸烷在對RP-3的物性預測上表現最優，滿足工程的要求。

超臨界；RP-3；替代模型

1　引言

隨著近幾年來高超聲速飛行器的興起，采用吸熱性碳氫燃料作為冷源進行吸熱的再生冷卻技術逐漸在航空航天領域內得到重視。吸熱性碳氫燃料是一種密度大、熱值高、綜合熱沉降性高及安全性能高的液體燃料，但因為其結構成分的復雜，很難對航空燃料本身進行探索與深入研究。因此，尋找航空燃料的替代組分可以間接替代航空燃料，并排除其中對研究進行干擾或難以研究的組成成分。國內外研究者對替代模型進行了不少研究[1]。有些研究者對航空煤油Jet-A進行研究：Huber等人綜合考慮密度、聲音、黏度、熱導率和蒸餾曲線等相關因素提出了Jet-A-4658的8組分、Jet-A-3638的七組分替代模型；Bruno[2]等人針對Jet-A，將少于3組分的簡單替代模型進行了分類對比研究。

可以看出以上替代模型提出的出發點與優化標準大多不同，研究者多是針對所研究的具體問題提出的對應模型，相互之間可參考性較小，存在一定局限性：多組分替代模型組分復雜，在實際工程計算中，耗費的計算資源較多。在目前航空航天領域的工程計算中，有必要尋找一種最佳單一組分替代模型，以保證在較好的替代效果同時加快計算速度。

本文采用國際上公認的物性計算軟件SUPERTRAPP，以國產航空煤油RP-3為研究對象，對三種單一組分替代模型的密度、黏度和比熱容三種熱物性進行計算，并結合RP-3的實驗物性數據進行對比，評估各替代模型的預測性能并對其熱物性開展相關分析，為再生冷卻技術優化計算打下物性模型理論基礎。

2　物性計算方法及替代模型

本研究是基于SUPERTRAPP軟件，對RP-3的熱物性替代燃料模型進行研究，SUPPERTRAPP可用于預測純燃料或混合燃料的動力學特性和傳輸性質，采用廣義對應態法則計算燃料組分的熱力學特性和輸運特性，包括密度，黏度，比熱容等。

航空煤油RP-3是多種碳氫化合物的混合物，其具體的成分較為復雜，由表1可得RP-3主要可分為飽和烴，不飽和烴和芳香族化合物三種。有學者采用單一組分正癸烷作為RP-3的替代模型，因此本文把正癸烷作為研究對象之一。另外，一般認為航空煤油包含的平均碳原子個數為 10～16個，且WangTS[3]采用C12H24來代表RP-1煤油作為替代模型，故本文選擇與正癸烷類似分子式的單一物質正十一烷和正十二烷作為研究對象，表2將本文的研究對象進行匯總如下所示，下文分析時以分子簡式代表單組分模型。

3　替代燃料模型熱物性計算分析

3.1密度

表1　RP-3成分組成分析

表2　單組分替代模型匯總

采用計算方法得到了航空煤油替代模型在不同壓力下密度隨溫度的變化關系，從計算結果中看出不同的替代模型均可以表現RP-3密度隨溫度的變化，并且也都可以呈現出國產航空煤油RP-3密度在擬臨界溫度點出的陡降變化。

三種替代模型在低溫區對密度的預測表現的一致，而不同點卻在于擬臨界溫度點的位置。P=3MPa時，C10、C11均能較好地預測出擬臨界溫度的特性。C12的計算值與實驗值偏差較大，過晚預測了擬臨界溫度的位置。不同替代模型在擬臨界溫度以上的高溫區估測均有偏差，替代模型均高估了高溫區的密度變化，且都隨著壓力的增大而變大。當P=4MPa、5MPa、6MPa下的變化與P=3MPa時類似。對比各個壓力下的曲線，可以認為C11在預測密度上與航空燃料最為接近，表現最優，而C10與RP-3密度預測水平相差同樣較小。

3.2黏度

采用計算方法得到了航空煤油替代模型在不同壓力下黏度隨溫度的變化關系，從計算結果中看出，隨著壓力的增加，不同替代模型對于擬臨界溫度的預測能力均逐漸加強，對于低溫區的預測略有升高，但變化不明顯。在P=3MPa時，C11、C12對于擬臨界點的位置預測較晚，而C10則與真實值相差不大。這可以用平均分子量來解釋，C11、C12替代模型的分子量均大于C10替代模型的平均分子量，使得兩類模型對RP-3的擬臨界點位置的預測方向產生相反的結果。同樣在低溫區，C11、C12的黏度計算結果與實驗結果相差較大，而C10與實驗結果差異較小。對不同航空煤油替代模型對黏度的預測均滿足工程的需要，但綜合對比，由C10構成的單一組分替代模型對黏度的預測最為準確。

3.3最優單一組分替代模型

綜合三種替代模型的密度、黏度及定壓比熱容的預測性能，C11的密度預測能力比C10、C12準確，但不同替代模型對密度的預測能力差別較小；C10的黏度預測能力比C11、C12更準確；C10對比C11、C12在定壓比熱容方面預測更為精確。綜合以上評估，認為C10對航空煤油RP-3的熱物性預測最準，能滿足工程需要。

4　結論

本文采用SUPERTRAPP對國產航空煤油RP-3的三種單組分替代模型進行熱物性計算，并對比實驗物性數據評估不同單一組分替代模型的預測性能。其中得到的結論如下所示：

（1）采用SUPERTRAPP軟件計算三種替代模型均能預測出熱物性如密度、黏度和比熱容的變化趨勢。

（2）不同替代模型對航空煤油RP-3的定壓比熱容峰值預測、密度預測準確性有待加強，相對而言對粘度的預測更為精確。

（3）相比于C11、C12的單組分替代模型，C10模型在預測黏度上表現最優；C10替代模型結合廣義對應態法則可較準確的預測RP-3的物性變化，滿足工程要求。

[1]鄭 東，于維銘，鐘北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化學反應動力學模型[J].物理化學學報，2015（4）：636～642.

[2]Bruno T J,Smith B L.Evaluation of the physicochemical authenticity of aviation kerosene surrogate mixtures:Part 1 analysis of volatility with the advanced distillation.curve[J].Energy&Fuels,2010,24（8）:4266-4276.

[3]Wang T S.Thermophysics characterization of kerosene combustion [R].AIAA Paper 2000～2511,2000.

V312

A

2095-2066（2016）31-0248-02

2016-10-3

齊建偉（1999-），男，漢族，遼寧大連人，高中在讀，研究方向是能源動力。