RP-3航空煤油详细化学反应机理初步研究

王慧汝

（中航空天发动机研究院有限公司，北京101304）

RP-3航空煤油详细化学反应机理初步研究

王慧汝

（中航空天发动机研究院有限公司，北京101304）

准确预测航空发动机燃烧室中的点火/熄火现象及污染物排放，需要耦合详细的化学反应动力学模型。鉴于RP-3航空煤油与国外Jet A航空煤油的物性参数较为接近，为初步研究RP-3航空煤油的化学动力学模型，选取Dagaut、Honnet、Lindstedt和Dooley等提出的Jet A的替代组分及其详细反应机理，作为我国RP-3航空煤油化学反应机理的备选方案，并通过激波管模拟与实验验证、充分搅拌反应器模型的定性分析，对备选方案的适用性和准确性进行考核。结果表明：在给定的三种工况条件下，Honnet等提出的详细化学反应机理模拟的点火延迟均与实验值最为吻合。

燃烧室；RP-3航空煤油；替代组分；化学反应机理；激波管；点火延迟；充分搅拌反应器

1　引言

为准确模拟燃烧室内的燃烧细节，并充分研究燃烧过程中某些重要中间产物对燃烧性能、燃烧稳定性及污染物排放的影响，在对航空发动机燃烧过程进行数值模拟时，需要航空煤油详细的化学反应动力学模型。但航空煤油本身是一种复杂的混合物，由成百上千个组分组成，主要包含链烷烃、环烷烃和芳香烃三大类［1］。由于产地、加工方式和用途不同，各国航空煤油的组成成分和比例都不完全固定。美国有Jet A、Jet A-1、JP-7、JP-8、JP-10等几类航空煤油，法国的主要类型为TR0，英国为AVTUR，我国主要为RP-3。

对于不同类型的航空煤油，有不同的多组分替代方案。如Dagaut等［2］采用74%（摩尔分数）的正癸烷、15%的正丙基苯和11%的正丙基环己烷作为Jet A-1的替代燃油；Cathonnet等［3］采用78%（体积分数）的正癸烷、9.8%的环己烷和12.2%的甲苯来替代TR0煤油；Lindstedt等［4］采用89%（摩尔分数）的正癸烷和11%的苯（或者甲苯、乙苯）作为煤油型燃料的替代模型；Honnet等［5］采用80%（质量分数）的正癸烷和20%的1，2，4-三甲基苯来替代煤油型燃料；Strelkova等［6］提出用72.7%的（质量分数）正癸烷、9.1%的己烷和18.2%的苯来替代Jet A；Dooley等［7］发展了三组分的Jet A替代燃油模型，具体比例为42.67%（摩尔分数）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燃油的四组分替代模型，其摩尔分数分别是32.6%的正癸烷、34.7%的正十二烷、16.7%的甲基环己烷和16%的正丁基苯；Mawid等［9］提出用六组分（5%（体积分数）的甲基环己烷、20%的甲苯、25%的正癸烷、5%的标准异辛烷、25%的正十二烷和20%的正十四碳烷）作为JP-7/JP-8的替代燃油。对于国产航空煤油，范学军等［10］选择由49%（摩尔分数）的正十烷、44%的1，3，5-三甲基环己烷和7%的正丙基苯组成替代煤油研究其热物理特性；廖钦［11］采用雾化激波管实验，王苏［12］、曾文［13］等采用加热型激波管实验，研究了国产煤油的点火延迟；肖保国等［14］提出用79%（摩尔百分比）的正十烷、13%的三甲基环己烷和8%的乙基苯作为RP-3航空煤油的完全替代模型。

总的来说，国外对航空煤油替代组分及其化学动力学已开展了多年的实验和计算研究，我国对航空煤油化学反应机理的研究相对较少，目前还处于发展阶段。本文对我国RP-3航空煤油的化学反应机理进行研究，研究思路为：经过合理筛选，选取国外化学反应机理作为RP-3航空煤油反应机理的备选方案，再经过RP-3航空煤油实验验证，获得一定范围内可用的RP-3航空煤油的化学反应机理。

2　备选方案的选择

以我国RP-3航空煤油的物性参数为基础，综合比对国外JP-7、JP-8、Jet A、Jet A-1航空煤油的物性参数，发现Jet A-1航空煤油与RP-3航空煤油的物性指标参数最为接近，参见表1。而Jet A与Jet A-1航空煤油的主要物性参数基本一致，主要差别在于凝固点参数不同（Jet A：-40℃，Jet A-1：-47℃）［1］。因此，备选方案在Jet A、Jet A-1航空煤油的化学反应机理中选择。同时，还必须遵循三个原则：一是能够获得完整的详细反应机理，二是要有与反应机理相对应的热力学数据库，三是该反应机理要经过相对较多的实验数据校验。

表1　RP-3航空煤油与Jet A-1航空煤油物性参数对比Table 1 Physical properties of RP-3 and Jet A-1 aviation kerosene

根据以上三个原则，本文从公开文献中搜集到的备选方案如下：

（1）Dagaut反应机理［2］

Dagaut等提出的三组分替代燃油，其详细反应机理总共包含209组分、1 673步反应。该反应机理在充分搅拌反应器中较宽广的工况范围内进行了验证，并成功预测了Douter等［16］的平面火焰实验，合理地预测了Mullins［17］、Freeman［18］等的点火延迟数据。

（2）Honnet反应机理［5］

Honnet等提出的二组分替代燃油，其详细反应机理包含118组分、914步基元反应。该反应机理经过了激波管、快速压缩机、充分搅拌反应器、产生稳定预混火焰的燃烧器、自由传播的预混火焰等实验数据的验证，也能用于预测非预混煤油的燃烧反应。同时，1996年Hewson等公布了较为详细的NOX反应机理［19］，该反应机理综合考虑了热力、瞬发、N2O三个反应过程，以及NHX氧化为NOX的反应过程。由于两个反应机理采用了相同类型的中间组分及热力学数据库，因此本文将二者综合起来，得到总共包含131种组分、1 020步基元反应的详细反应机理，简称为Honnet反应机理。

（3）Lindstedt反应机理［4］

Lindstedt等提出的二组分替代燃油由89%（摩尔分数）的正癸烷和11%的甲苯（简称Lindstedt 1方案）或乙苯（简称Lindstedt 2方案）构成，其详细反应机理总共包含154组分、947步反应。该反应机理经过了Douter等［16］的层流预混实验数据的详细验证。

（4）Dooley反应机理［7］

Dooley等提出的三组分替代燃油，其详细反应机理总共包含1 599组分、6 633步反应。其点火性能和碳氢比与实际的Jet A航空煤油几乎一致，且该反应机理经过了可变压力流动反应器在不同温度范围下的验证，对冲火焰熄火应变率的验证，以及激波管、快速压缩机中的点火延迟实验验证。

3　激波管实验验证

验证气相化学反应机理的方法，有激波管实验、充分搅拌反应器实验、层流预混燃烧实验、对冲火焰实验和预混火焰燃烧实验等。由于加热型激波管实验不仅可以很好地控制实验过程中的温度、压力、燃料浓度、当量比等关系参数，孤立组分输运影响，而且还可以精确控制点火的起始时间点，实验数据重复性好，因此本文首先用加热型激波管来考察备选方案的详细化学反应机理。

3.1验证工况

文献［12］中的实验工况为：当量比0.5和1.0，氧气体积分数5%和8%，氩气稀释，点火延迟数据归一化到压力101 325 Pa。实验中以压力传感器测到反射激波的起跳时刻为时间零点，以OH自由基发射光强度信号上升变化率最大点所对应的时间作为点火延迟时间。

文献［20］的实验工况为：当量比1.0，氧气体积分数为12.5%，氩气稀释，点火延迟数据归一化到压力101 325 Pa。与文献［12］不同的是，该实验中以CH自由基发射光强度信号上升变化率最大点所对应的时间作为点火延迟时间。

3.2模拟结果与实验结果的比较

将Dagaut、Honnet、Lindstedt、Dooley等提出的反应机理和相应的动力学、热力学参数，在反射式激波管模型内进行化学反应动力学模拟。计算采用CHEMKIN程序包中的激波管计算模块［21］，模拟条件与验证工况相同，比较相应的点火延迟时间，结果如图1所示。

从图1（a）中可看出，利用Dagaut、Dooley反应机理模拟的RP-3航空煤油点火延迟与实验值相差较大；利用Honnet、Lindstedt反应机理模拟的点火延迟与实验值相对而言较为接近。这说明虽然Jet A航空煤油与RP-3航空煤油的一些物性指标相同，但化学组成仍有很大差别。由于Honnet、Lindstedt反应机理针对的是煤油型燃料，因此适用的航空煤油类型更多，计算结果也与RP-3航空煤油的实验值更吻合。

图1　不同反应机理模拟的点火延迟时间与实验结果的对比Fig.1 Comparison betweenexperimental data and predictions of ignition delay time using various mechanisms

利用不同工况下的激波管实验，进一步对Honnet、Lindstedt反应机理进行考核，结果如图1（b）、图1（c）所示。可见：Honnet反应机理模拟的点火性能与实验值更为接近，尤其是在接近1 000 K附近时，Lindstedt反应机理误差较大。这主要是由于Lindstedt反应机理属于高温反应机理，而Honnet反应机理添加了低温段反应机理，所以预测结果更为准确。值得注意的是，Lindstedt反应机理中无论采用甲苯（Lindstedt 1）或乙苯（Lindstedt 2）作为芳香烃替代组分方案，两者的点火性能相差很小，这说明替代煤油的点火延迟主要取决于替代组分中的链烷烃成分。综上分析，初步选择Honnet反应机理作为RP-3航空煤油的化学反应机理。

4　充分搅拌反应器模型定性分析

前文虽已通过激波管实验从整体上验证了Honnet反应机理描述我国RP-3航空煤油化学特性的正确性，但目前还没有RP-3航空煤油充分搅拌反应器的相关实验数据，故无法直接验证Honnet反应机理描述反应细节的能力。鉴于Jet A-1与RP-3航空煤油的物性参数类似，Dagaut反应机理［2］已经过Jet A-1航空煤油充分搅拌反应器的实验验证，因此本节通过进一步比较Dagaut反应机理与Honnet反应机理在充分搅拌反应器中的计算结果，定性分析Honnet反应机理模拟反应细节的能力。

计算采用CHEMKIN程序包中的充分搅拌反应器模块［22］，其理论模型如图2所示。工况参数选为101 325 Pa，进口温度800 K，停留时间0.003 s，氧化剂为空气，当量比在0.5～2.0之间。图3给出了两个反应机理计算的温度值和摩尔分数大于0.001的组分。可见，两个反应机理除了H、O自由基的计算结果有差别外，温度值及其他主要组分的摩尔分数计算结果基本相同。这表明：虽然Dagaut反应机理描述的整体反应速度、反应路径，可能与实际RP-3航空煤油不同（即不能描述RP-3航空煤油的点火特性），但在高温情况下，所有大分子均会裂解成小分子进行反应，且Jet A-1与RP-3航空煤油的物性参数相类似，因此两个反应机理计算得到的主要组分和温度值一致。这从另一方面间接验证了Honnet反应机理模拟RP-3航空煤油反应细节的能力。

图2　充分搅拌反应器模型Fig.2 Perfectly stirred reactor model

图3　Honnet和Dagaut反应机理在充分搅拌反应器中计算结果的比较（压力101 325 Pa，停留时间3 ms，温度800 K，当量比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　结论

通过对我国RP-3航空煤油进行的激波管模拟及实验验证，对备选方案的适用性和准确性进行了考核。结果表明：相比于Dagaut、Lindstedt和Dooley反应机理，Honnet反应机理模拟的点火延迟时间与实验结果最为接近。同时，充分搅拌反应器的计算结果间接验证了Honnet反应机理模拟RP-3航空煤油反应细节的能力。基于上述认识，认定Honnet等提出的替代组分及其反应机理，可以作为我国RP-3航空煤油详细反应机理的替代方案之一。

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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，山西长治人，高级工程师，博士，主要从事航空发动机燃烧数值模拟方法研究。