3.7　碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

碳氢燃料的燃烧过程是一个非常复杂的物理、化学和力学过程，其中有大量的中间产物生成，如OH、CH、C2等小自由基。要实现对燃料燃烧化学反应过程的控制，需要研究燃烧产生的各种主要中间体，掌握燃烧的主要反应步骤，获得关键反应动力学、热力学参数，分析影响反应的各种因素，结合理论构建碳氢燃料裂解-燃烧详细反应机理，建立碳氢燃料裂解-燃烧反应详细机理自动生成程序及机理简化方法等问题。基于此，本项目主要得到以下结论。

①开发了碳氢燃料反应机理自动生成程序（ReaxGen-Combustion），用于研究C5及其以上碳原子数的分子和自由基参与的反应。程序假定烷烃的高温燃烧反应以自由基的链反应机理为主要特征，高温燃烧反应的种类有限，具备程序化的特征。大于C4的物种参与反应时，反应中心受分子大小和周围环境的影响很小，其反应动力学参数按反应归类的方式确定。利用该程序，对甲基环己烷高温燃烧详细机理进行分析，根据20个烷烃的高温燃烧反应类型，构建相应的子程序模块。高碳烃的起始反应物调用相应反应方程，所得的产物也调用对应的反应方程，由此产生一连串的链反应及相应的动力学参数。再结合核心机理，得到高碳烃高温燃烧反应的动力学数据文件。生成甲基环己烷高温燃烧的动力学文件中包含2034个反应，热力学文件中包含344个物种。通过反射式激波管模型对甲基环己烷的高温燃烧进行动力学模拟，验证了燃烧详细机理的合理性，且与国际上公开的Pitz机理的结果相似。在此基础之上，针对航空煤油的组成的复杂性，以单一正癸烷作为国产航空煤油的单组分替代模型，应用“ReaxGen-Combustion”，构建了燃烧反应的详细机理。程序生成的正癸烷详细反应机理共含388个物种和2226步化学反应。结果表明，单组分正癸烷燃烧反应机理模型能够较准确地模拟预测我国航空煤油的燃烧特性。自主研发的我国第一套航空燃料反应机理自动生成程序改变了我国燃烧仿真依赖于下载国外机理的现状。

②采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法，以典型航空燃料的替代组分正十二烷为研究对象，开展了正十二烷高温燃烧化学动力学机理的系统简化，采用多步直接关系图（DRG）法和基于计算奇异值摄动（CSP）法重要性指标的反应移除方法，对由1279个组分、5056个基元反应组成的正十二烷燃烧详细机理进行框架简化，构建了包含59个物种和222步基元反应的正十二烷高温燃烧化学动力学框架机理。通过对多步DRG与单步DRG简化结果的比较发现，对于组分数较多的详细机理的简化，两步DRG方法与单步DRG方法相比更适用。进一步采用CSP方法对框架机理进行时间尺度分析，依据物质在慢模式中的贡献进行准稳态物种的精确识别，在此基础上结合准稳态近似（QSSA）方法构筑了包含49个组分的全局简化机理。计算结果表明，框架机理和全局简化机理都能在较宽的模拟条件下，重现详细机理对点火延迟时间、主要物种浓度变化和熄火等模拟结果。与详细机理相比，框架机理更容易用于分析正十二烷高温燃烧中所涉及的重要物种和反应。在此简化框架的基础之上，建立了燃烧反应热力学和动力学参数的计算方法，开发了机理简化软件和数据库，初步构建了我国第一个燃烧数据共享和燃烧机理在线构建平台。

③在加热激波管平台上研究了碳氢燃料如三甲苯、RP-3等的自点火特性，测试不同温度、压力和当量比下气相RP-3/空气混合物的点火延迟时间。在750～850K、10标准大气压下首次测到了国产RP-3航空煤油点火延迟的负温度系数效应，负温度系数随点火温度的降低而略有下降，这主要是高温和低温下燃烧反应机理的不同引起的。基于大量测试数据，推导了不同当量比和压力下点火延迟的表达式。当压力以相同当量比增加时，整体活化能降低，压力的增加导致测得的点火延迟时间减少。基于RP-3的组成鉴定，提出了88.7%正癸烷和11.3% 1，2，4-三甲基苯作为RP-3的替代物。采用N. Peter提出的动力学机制模拟替代物的点火延迟的仿真结果与实验结果吻合较好，说明RP-3替代模型非常适合RP-3燃烧。这一研究工作为RP-3喷气燃料的替代动力学模型的开发和验证提供了基础数据库。

④建立了航空燃料高温热物性的系列在线测量新方法（包括密度、流速、热沉、黏度、换热系数），首次科学地定义了化学热沉并建立了测量方法。高温裂解气密度的精确测量解决了在750℃以上条件下，高温裂解气在冷却通道中的流动速度的实验测量问题。这些高温热物性测量方法为超燃冲压发动机主动冷却设计关键技术攻关奠定了必要基础。

⑤自主开发了第一个工程化国产航空燃料燃烧模型，并成功实现反应-湍流耦合的超燃冲压发动机内流道数值模拟。提出了超燃冲压发动机主动冷却的双压裂解创新方案，克服了国内外流行的超临界主动冷却方法的缺点，大幅提高了化学热沉，克服了高压裂解时燃料结焦的瓶颈问题，实现了主动冷却技术的新突破。