RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型

郑 东 于维铭, 钟北京,*(清华大学航天航空学院,北京00084;北京汽车集团产业投资有限公司,北京000)

[Article]

RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型

郑 东1于维铭1,2钟北京1,*
(1清华大学航天航空学院,北京100084;2北京汽车集团产业投资有限公司,北京100021)

本文提出了40%(摩尔分数,下同)正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通过实验充分验证了替代燃料模型与实际RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.采用对冲火焰实验台架,测量了RP-3航空煤油以及四组分替代燃料的层流火焰传播速度.对比结果表明本文提出的替代燃料能够准确描述实际RP-3航空煤油的燃烧速率.进一步发展了包含168组分、1089反应的半详细反应动力学模型,验证结果表明本文机理能够准确预测RP-3航空煤油着火延迟时间和火焰传播速度.

RP-3航空煤油;替代燃烧;反应机理;火焰传播速度;对冲火焰

1 引言

航空发动机燃烧室中燃油的着火和燃烧过程是一个非常复杂的湍流化学反应过程.1航空发动机存在燃烧不稳定性,以及高密度、高稀释度、超稀薄、高马赫数等极端条件下点火困难等问题,都与燃烧室内复杂的湍流燃烧过程密切相关.湍流燃烧问题的核心是湍流与化学反应的相互作用.要研究湍流与化学反应相互作用,燃料燃烧化学反应机理是基础.因此发展航空煤油化学反应动力学模型对于深入理解航空发动机湍流燃烧机制,阐明湍流与化学反应的相互作用机理具有极其重要的理论和实际意义.

©Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

航空煤油是C7-C16大分子碳氢复杂烃类的混合物,包含链烷烃(直链烷烃与支链烷烃)、环烷烃以及芳香烃等成百上千种组分.2由于原油产地、加工工艺以及添加剂的不同,各国、各型号、甚至各批次的航空煤油的组分也不尽相同.图1给出了欧美常用的航空煤油JP-8、Jet-A,以及国产航空煤油RP-3不同烃类的构成比例.2-4由图可见,国内外不同型号航空煤油的烃类构成比例存在较大差异,其具体的组分构成差别就更明显了.鉴于航空煤油成分的复杂性,无法针对某种航空煤油直接构建其化学反应动力学模型.行之有效的方法是从复杂的航空煤油中选取一种或几种具有代表性的成分作为航空煤油替代燃料的组分,进而构建其详细替代燃料的化学反应机理.这也是研究汽油、柴油等大分子碳氢复杂燃料化学反应机理的惯用做法.5-7表1列举了目前部分常见的国内外航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型.8-14

图1 JP-8,Jet-A和RP-3烃类组成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学反应动力学模型Table 1 Aviation kerosene surrogate fuels and chemical reaction kinetic models

单组分的正癸烷或者正十二烷是最简单的航空煤油替代燃料,Dagaut等8在搅拌反应器(JSR)中研究了Jet-A和正癸烷的氧化特性,发展了包含90组分和573反应的正癸烷反应机理作为Jet-A替代燃料的反应机理.随后许多研究者提出了包含链烷烃、环烷烃、芳香烃的多组分航空煤油Jet-A和JP-8替代燃料,并发展了相应的详细和简化反应动力学模型,其规模从上百组分到几千组分不等.9-12国内对于多组分RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应机理的研究还比较少.肖保国等13提出了一个79% (摩尔分数,下同)正癸烷、13%三甲基环己烷和8%乙基苯的三组分RP-3航空煤油替代燃料模型(近似分子式C9.71H20.52),并发展了包含109组分和946反应的动力学模型.曾文等14在Dagaut三组分Jet-A替代燃料模型15的基础上,提出由65%(体积分数)正癸烷、10%甲苯、25%丙基环己烷组成的三组分RP-3航空煤油替代燃料模型,相应地发展了150组分和591反应的动力学模型.

综合分析国内外研究现状不难发现,国产RP-3航空煤油替代燃料及其反应机理的研究与国外存在较大差距.国内鲜有的几个多组分替代模型均是基于物理特性或是参考国外模型发展的,其平均碳原子数与实际国产航空煤油相差较大,而且其反应机理的验证也不够充分.能否描述国产RP-3航空煤油的化学反应动力学特性尚需进一步研究.因此,本文在考虑RP-3航空煤油组成成分、物理特性和化学特性的基础上,提出一个能够描述实际RP-3理化特性的多组分替代燃料,通过测量火焰传播速度进行验证.进而发展相应的半详细反应动力学模型,并验证其着火和燃烧特性.

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建议预测实际燃油物理特性和着火、燃烧、污染物生成等化学特性的替代燃料应采用多组分,而且其组分要与实际燃油的重要成分相匹配.我们首先对RP-3航空煤油的组成成分进行详细分析.RP-3航空煤油样品来自于中石化北京燕山石油化工分公司,通过色谱-质谱(GC-MS)联用仪确定样品中含量最大的前100种组分及其相对体积分数.根据GC-MS分析结果,国产航空煤油RP-3的不同烃类体积分数如图2所示.其中比例最高的是链烷烃为53.0%,平均碳原子数为10.8.其次是环烷烃为37.7%,平均碳原子数为10.2.而芳香烃含量只有4.6%,低于国外JP-8和Jet-A航空煤油.

图2 GC-MS分析RP-3的成分组成(体积分数)Fig.2 Molecular class compositions(volume fraction)of RP-3 as identified by gas chromatography-mass spectrometer(GC-MS)analysis

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

然后对RP-3的一些基本的物理特性进行了分析.表2给出了本文测量的结果和文献17中给出的一些物理特性.由表2可见,本文实验测量结果与文献中的结果较为一致,但也存在一定差异.除了测量误差外,主要的原因可能是实验中所采用的RP-3样品来自不同产品批次.

2.2 RP-3航空煤油替代燃料模型

发展一个多组分RP-3航空煤油替代燃料模型,首先要确定其代表性组分.本文选取代表性组分的两个原则是:其一,代表性组分在实际航空煤油中含量较高,或者能够综合反映实际航空煤油中这种烃类所有组分的平均特性.其二,代表性组分的理化特性与实际航空煤油接近,或者通过与其它烃类代表性组分调配所得到的混合燃料的理化特性与实际航空煤油接近.首先,由上述成分分析可知, RP-3航空煤油中链烷烃比例最高,对航空煤油理化特性的影响也很大.因此我们选择正癸烷和正十二烷两种成分作为RP-3航空煤油链烷烃的代表性组分.这样的选择一方面是因为十二烷碳原子数较高,容易与正癸烷调配出与实际燃油中比较接近的链烷烃平均碳原子数;另一方面是因为正十二烷的粘度和蒸发温度与实际航空煤油相匹配(见表3).其次,考虑到乙基环己烷的碳原子数比甲基环己烷多,而且乙基环己烷的密度与RP-3很接近(见表3),因此选择乙基环己烷作为RP-3航空煤油环烷烃的代表性组分.虽然芳香烃类物质在RP-3中所占比例不高,但其对实际航空煤油的着火与污染物排放有较大影响.相对于甲苯而言对二甲苯的碳原子数较多,且其密度较大(见表3).因此选择对二甲苯作为RP-3航空煤油芳香烃的代表性组分.对二甲苯的加入可以使得替代燃料的密度与RP-3航空煤油密度更接近.由于烯烃和醇类物质在RP-3航空煤油的含量较少,现有的航空煤油替代燃料均舍弃这些成分(见表1),因此本文也未考虑这两种成分.最终本文选择正癸烷、正十二烷、乙基环己烷和对二甲苯四种组分作为RP-3航空煤油的代表性组分,其特性参数如表3所示.

表3 RP-3代表性组分特性参数Table 3 Property parameters of the representative species of RP-3

确定了RP-3航空煤油的代表性组分后,我们进一步需要确定四种代表性组分的比例.方法是:选取实际燃料重要的理化特性参数,通过优化各代表性组分的比例,使得替代燃料的理化特性参数值与对应所选取的实际燃料的特性参数值相匹配,从而确定替代燃料各组分的比例.由于气相燃料的扩散特性取决于其分子量,18为了能够再现实际航空煤油在气相燃烧中的扩散特性,替代燃料的平均分子量应该接近实际燃料的平均分子量;碳氢比反映了燃烧生成物中CO2和H2O的比例,决定了燃料反应生成焓以及绝热火焰温度.而绝热火焰温度与燃烧速率以及其它燃烧现象密切相关.4换而言之,碳氢比是反应燃料燃烧速率以及其它燃烧现象的重要特性参数;在两相流燃烧中,密度和粘度对于燃料的雾化、蒸发过程有较大影响,为了能够描述实际航空煤油在两相流燃烧中燃料的雾化、蒸发过程,替代燃料的密度和粘度应该与实际燃料相匹配.因此选择平均分子量、碳氢比、密度以及粘度为所要匹配的理化特性参数.采用试验和计算相结合,经过多次试验,最终确定了正癸烷、正十二烷、乙基环己烷和对二甲苯四种组分的摩尔分数分别为40%、42%、13%和5%.

将本文提出的摩尔分数分别为40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料的理化特性进行了测量和计算,并与实际RP-3航空煤油的实验结果进行比较,结果如表2所示.由表2可见,本文提出的四组分RP-3航空煤油替代燃料的平均分子式、平均分子量、碳氢比、密度、粘度以及蒸发温度均与实际RP-3航空煤油相近.

3 航空煤油及其替代燃料火焰传播速度

在上一节中,我们提出了四组分RP-3航空煤油替代燃料,并通过对比验证了部分理化特性参数与实际RP-3航空煤油的相似性.本节我们将进一步验证替代燃料和实际RP-3航空煤油燃烧特性的相似性.众所周知,火焰传播速度是表征燃料燃烧特性的重要参数,因此,我们将通过对比替代燃料和实际RP-3航空煤油的火焰传播速度来验证它们燃烧特性的相似性.

四组分RP-3航空煤油替代燃料和实际RP-3航空煤油与空气预混气的层流火焰传播速度采用对冲火焰进行测量.图3所示为液体对冲火焰实验台系统的示意图,主要包括燃料输送系统、空气输送系统、空气加热装置、燃料与高温空气混合装置、混合气输送系统、示踪粒子装置、喷嘴系统、测量系统等.空气经过流量计,进入预热器加热至预设温度,而后送至混合装置.与此同时燃料经由注射泵,送入混合装置.燃料在混合装置中迅速蒸发,并与空气充分混合,形成均匀的预混气.预混气通过配气管路,均匀送至上下两个对称布置的喷嘴.在离喷嘴一定距离处着火燃烧,形成稳定的对冲火焰.通过三维粒子动态分析仪,测得对冲火焰中心轴线的速度分布,进而获得某一拉伸率下的层流火焰传播速度.然后通过线性外推,即可得到无拉伸层流火焰传播速度.19

图3 液体燃料对冲火焰实验系统图Fig.3 System diagram of counterflow twin-flame configuration for liquid fuels

实验条件如下:0.1 MPa,燃料/空气预混气初温设定为403 K,燃料流量范围为67.9-238 mL·h-1,空气流速范围为0.88-1.44 m3·h-1,化学计量比范围为0.7-1.4.实验操作、数据处理以及误差分析方法详情参考文献.19图4给出了实验测量的四组分RP-3航空煤油替代燃料/空气和实际RP-3航空煤油/空气预混气在不同化学计量比下的层流火焰传播速度.由图4可知,在工况相同的情况下,在化学计量比0.9-1.3的范围内,替代燃料和RP-3煤油的火焰传播速度差别不大,化学计量比小于0.9和大于1.3时,替代燃料的火焰传播速度略小于RP-3煤油.考虑到实验上的误差,可以认为在预混气相同压力和初始温度下,四组分替代燃料和RP-3煤油具有相同的火焰传播速度,说明两者的燃烧特性非常相似.

图4 替代燃料和实际RP-3火焰传播速度测量结果Fig.4 Experimental laminar flame speeds of surrogate fuels and real RP-3

4 替代燃料详细化学反应机理及其验证

4.1 RP-3替代燃料详细反应机理构建

我们依据上述提出的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型构建其半详细的反应动力学模型.由于替代燃料模型中代表性组分均为大分子碳氢燃料,其C3以下反应机理(核心机理)基本一致,因此构建多组分机理即发展通用性好的核心机理和代表性组分的子机理.这样所有代表性组分子机理与核心机理整合,就得到多组分航空煤油化学反应机理.

由于小分子碳氢燃料的化学反应机理得到广泛的研究,其中Wang等20发展的USC-Mech II是一个得到普遍应用和广泛认可的小分子碳氢燃料反应机理.该机理包含了H2/CO/C1-C4详细反应机理,由111组分、784反应组成.并经过着火延迟时间、火焰传播速度以及火焰结构等大量的实验验证.因此本文直接采用USC-Mech II作为核心机理.

因此,本文的主要工作是在核心机理的基础上,进一步构建替代燃料模型中大分子碳氢组分的子机理.首先,针对链烷烃代表性组分正癸烷和正十二烷,从高、低温两个方面进行子机理的构建. You等21以USC-Mech II为核心机理构建了包含正癸烷和正十二烷的反应机理,并对高温条件下的着火延迟时间、火焰传播速度、组分分布进行了详细验证.鉴于该机理采用的核心机理与本文相同,而且能够准确描述高温氧化过程.因此,本文通过反应路径和灵敏度分析(零维均质模型,初始温度1200 K),提取出其C12/C10-C4高温氧化过程的重要反应路径及其主要基元反应,即构成了本文正癸烷和正十二烷高温反应的子机理.低温子机理考虑如图5所示的集总反应过程,对应的反应动力学参数来源于Jia等22的正辛烷到正十六烷反应机理.

其次,对于环烷烃代表性组分乙基环己烷,采用上述相同的分析方法,从Sirjean等23发展的包含352组分、2083反应的JetSurF 1.1详细反应机理中提取出乙基环己烷的重要氧化反应路径及其主要基元反应,即构成乙基环己烷氧化过程的子机理.

最后,对于芳香烃代表性组分对二甲苯,则以先前发展的多组分汽油替代燃料反应机理24,25中甲苯机理为基础,添加对二甲苯氧化裂解至甲苯、苯、乙基苯的反应机理.即构成对二甲苯氧化机理.添加部分的机理主要来源于李玉阳26发展的低压预混火焰中对二甲苯氧化、裂解反应机理,以及Gail和Dagaut27提出的搅拌反应器中对二甲苯的氧化机理.

至此,本文构建了正癸烷、正十二烷、乙基环己烷和对二甲苯四种组分的反应子机理(见Supporting Information),通过与核心机理进行整合,并剔除冗余或重复的组分和反应,最终得到一个包含168组分和1089反应的多组分RP-3航空煤油替代燃料的半详细反应动力学模型,其合理性的验证见下一节.

图5 低温氧化过程集总反应机理Fig.5 Lumped kinetic scheme of the low-temperature oxidation reactions ket:ketohydroperoxide

图6 计算的RP-3航空煤油和替代燃料火焰传播速度与实验结果比较Fig.6 Comparison of experimental and calculated laminar flame speeds of RP-3 aviation kerosene and surrogate fuels

图7 不同初始温度下计算的RP-3航空煤油着火延迟时间与实验结果比较Fig.7 Comparison of experimental and calculated ignition delay times of RP-3 aviation kerosene at different initial temperatures

4.2 RP-3替代燃料详细反应机理验证

一个反应机理有效性的重要标志之一就是准确预测燃料着火延迟时间和火焰传播速度.本文依据现有的实验结果详细比较了RP-3航空煤油的着火延迟时间、火焰传播速度.计算是在化学反应动力学程序CHEMKIN28上完成的.对于着火延迟时间和火焰传播速度的计算,分别采用零维均质模型和一维预混火焰模型.

图6对比了初始压力为0.1 MPa、温度为403 K、化学计量比范围为0.7-1.4时计算的RP-3航空煤油替代燃料的火焰传播速度与本文的实验测量值.由图6可以看出,本文半详细机理能够准确预测RP-3替代燃料的火焰传播速度,并能很好地描述实际RP-3航空煤油的燃烧速率.

曾文等14利用激波管实验台架详细测量了不同初始压力、化学计量比下,RP-3着火延迟时间随温度的变化曲线.图7给出了本文机理预测的RP-3着火延迟时间,并与曾文等的实验结果进行了比较.由图7可见,化学计量比为0.5时,本文机理预测的RP-3着火延迟时间与实验值一致.而化学计量比为1.0时,本文机理的计算结果略小于实验测量值.但总体而言,本文机理能够较为准确地预测实际RP-3航空煤油的着火延迟时间,反映了实际RP-3航空煤油的着火特性.与此同时,也间接反映了四组分替代燃料模型能够预测实际RP-3航空煤油的着火特性.

5 结论

以国产航空煤油为对象,提出了摩尔分数分别为40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通过实验充分验证了替代燃料模型与实际RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.

采用对冲火焰实验台架,测量了不同化学计量比下RP-3航空煤油、以及本文提出的四组分替代燃料的层流火焰传播速度.对比结果表明本文提出的替代燃料能够准确描述实际RP-3航空煤油的燃烧速率.

在四组分替代燃料模型的基础上,进一步发展了包含168组分、1089反应的半详细反应动力学模型,并用着火延时间和火焰传速度对机理进行了充分验证.验证结果表明本文的反应机理能够较准确地预测RP-3航空煤油的着火延迟时间和火焰传播速度,较好地预测RP-3航空煤油着火和燃烧特性.

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).

国家自然科学基金(91441113)资助项目