正癸烷熱裂解-引發(fā)裂解模型及其化學熱沉特性研究.pdf

1、吸熱型碳氫燃料既有物理熱沉，又有額外化學熱沉，已被用來解決燃燒室高溫帶來的熱防護問題，成為超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的研究重點之一。碳氫燃料吸熱裂解化學反應(yīng)的發(fā)生將使燃料組分不斷變化，影響燃料注入到燃燒室的狀態(tài)及再生主動冷卻系統(tǒng)的熱管理性能與設(shè)計，準確預(yù)測組分變化對燃料的裂解吸熱性能至關(guān)重要。
　　本文針對超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻系統(tǒng)設(shè)計對燃料反應(yīng)模型的需求和熱沉利用問題，以再生冷卻通道內(nèi)燃料的流動裂解為研究對象，開展了正癸烷熱裂解和引發(fā)裂

2、解的實驗及模型研究、并分析了燃料化學熱沉影響因素，主要研究工作如下：
　　首先，利用同步輻射光電離質(zhì)譜-分子束采樣技術(shù)（Synchrotron VUV Photoionization Mass Spectrometry,SVUV-PIMS）結(jié)合流動管裂解實驗裝置研究了正癸烷、硝基甲烷以及正癸烷/硝基甲烷二元混合物在4、20和101kPa的流動裂解，分析得到32種組分的摩爾分數(shù)分布，其中不僅包含穩(wěn)定產(chǎn)物，還探測到重要的不穩(wěn)定中間體和

3、自由基，為揭示正癸烷和硝基甲烷裂解過程，以及這兩種燃料的相互作用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；趯嶒灲Y(jié)果建立了包含164種組分和726步反應(yīng)的正癸烷熱裂解詳細反應(yīng)動力學模型和包含266種組分、1648步反應(yīng)正癸烷引發(fā)裂解詳細反應(yīng)動力學模型，模型很好地反映了各穩(wěn)定組分及重要中間體的生成和消耗過程。通過生成速率分析和敏感性分析方法分析對正癸烷和主要組分起重要作用的自由基和反應(yīng)，得到了正癸烷裂解反應(yīng)路徑，揭示了引發(fā)劑對正癸烷裂解和產(chǎn)物生成的影響機制。

4、r>　　其次，鑒于燃料在冷卻通道內(nèi)通常處于超臨界狀態(tài)，而燃料在高壓和低壓、低濃度下的裂解產(chǎn)物有所不同，主要體現(xiàn)在前者有大量烷烴生成，因此利用電加熱流動反應(yīng)器對超臨界壓力下的正癸烷熱裂解和正癸烷引發(fā)裂解進行了研究。正癸烷超臨界裂解產(chǎn)物主要為正烷烴和1-烯烴，烷烴的總摩爾分數(shù)比例約為1/3，少量硝基甲烷的添加使正癸烷的初始裂解溫度明顯降低，且引發(fā)作用在正癸烷裂解率低于40％較為明顯。基于實驗結(jié)果、低壓裂解模型及最新理論成果建立了包含271種

5、組分和1863步反應(yīng)的正癸烷/硝基甲烷超臨界熱裂解/引發(fā)裂解詳細動力學反應(yīng)模型。通過對實驗結(jié)果及文獻中實驗結(jié)果進行模擬證明此模型具有良好的模擬精度。通過對正癸烷及主要產(chǎn)物進行生成速率分析得到了超臨界壓力下正癸烷消耗及主要產(chǎn)物的生成消耗路徑，特別分析了C3以上烷烴的生成過程，并分析得到了硝基甲烷對正癸烷消耗和產(chǎn)物分布影響及其作用范圍的原因，為燃料的工程應(yīng)用提供了理論和模型基礎(chǔ)。
　　再次，燃料化學熱沉受其裂解過程的控制，通過發(fā)展的超

6、臨界裂解動力學模型計算得到了正癸烷裂解化學熱沉變化規(guī)律，并分析得到了各產(chǎn)物對化學熱沉的貢獻與產(chǎn)物選擇性變化對化學熱沉的影響。結(jié)果表明裂解率體現(xiàn)化學熱沉的利用程度，而產(chǎn)物分布決定了化學熱沉的利用水平。為分析反應(yīng)對燃料裂解和化學熱沉的影響，利用路徑通量分析法篩選正癸烷/硝基甲烷裂解重要的組分和反應(yīng)，得到了包含116種組分和679步反應(yīng)的簡化模型，并對正癸烷裂解率和化學熱沉進行了敏感性分析，分析了模型中各基元反應(yīng)對正癸烷消耗及其化學熱沉的影響

7、及產(chǎn)生影響的原因。
　　最后，由于自由基的反應(yīng)過程會受工作參數(shù)變化的影響，從而間接影響化學熱沉的利用，因此對正癸烷超臨界熱裂解及引發(fā)裂解的化學熱沉特性進行實驗研究，分析了燃料質(zhì)量流量及反應(yīng)壓力對正癸烷熱裂解化學熱沉的影響和引發(fā)劑溶度及反應(yīng)壓力對正癸烷引發(fā)裂解化學熱沉的影響。利用模型對不同工況下的實驗進行模擬，結(jié)果進一步驗證了模型的可靠性，結(jié)合模型與實驗結(jié)果分析得到了工作參數(shù)對燃料化學熱沉的影響機制，為燃料化學熱沉的合理利用奠定了理