正庚烷高温热解和结焦动力学及影响机制

发布时间：2020-03-21 08:57

【摘要】：吸热型液体碳氢燃料具有较高的热沉,对超燃冲压发动机进行吸热冷却后,自身裂解产生更多易燃气体从而提高了燃烧效率和发动机工作效率。碳氢燃料在吸热裂解过程中生成气体的选择性对反应条件非常敏感,产物组成变化对燃烧室的燃烧特性和主动冷却热管理特性都有着非常重要的影响,同时燃料在主动冷却通道内高温裂解结焦也是高超音速发动机飞行中存在的严重问题之一,因此如何准确把握燃料裂解特性并预测组分变化对吸热性能的影响,以及如何抑制并减少结焦等问题对发动机运行非常重要。为此,本研究论文主要围绕碳氢燃料在高超音速超燃冲压发动机主动冷却特性研究和提高燃烧性能及减少结焦积碳的需求,以碳氢燃料在主动冷却微通道中流动热解和结焦为主要研究方向,开展了正庚烷在微小通道中热裂解和结焦实验和模型研究,主要分析了正庚烷热裂解结焦中反应条件变化所带来的的影响。主要内容包含以下几个方面:首先介绍了裂解和燃烧的概念及不同点,重点介绍了碳氢燃料裂解在超燃冲压发动机中的应用,碳氢燃料反应机理模型的构建,并对结焦和碳烟的概念做了解释,分析了焦炭和碳烟的形成过程等。其次对正庚烷在微小圆形通道热裂解结焦的实验装置、检测方法、产物组成等,测量结果与文献中相关实验进行了对照。分析了正庚烷裂解主要产物以及正庚烷的含量随流速、温度和压力变化的规律,烯烃和烷烃生成比例的随流量和温度的变化等,并指出乙烯、丙烯、甲烷和乙烷是正庚烷热裂解主要的气体产物。构建了一个44个组分166步反应的正庚烷纯裂解机理,并用实验数据:不同反应温度、压力和流速下得到主要产物含量和正庚烷转化率进行验证,其结果要好于目前文献中正庚烷氧化机理所计算结果。使用所构建的裂解机理模型从动力学上分析并解释了不同温度和压力下正庚烷裂解产物变化规律及其原因,温度和压力对正庚烷裂解过程中停留时间、速率、平均分子量和密度变化的影响等,并提出了提高烯烃收率和转化率的最佳反应条件。对高转化率下正庚烷裂解产物的气相和液相产物组成、含量及其随温度和流量变化进行了测量。构建了一个正庚烷裂解到多环芳烃(晕苯)生成的226组分和1113步反应的详细裂解机理模型,使用构建模型对正庚烷裂解实验进行了数值模拟,并和文献中正庚烷氧化及多环芳烃生成详细机理模型计算结果进行对比,总的来看前者要好于后者。对比了两个模型计算主要的苯系物和多环芳烃随温度和压力变化,并对不同当量比下苯的反应路径,多环芳烃的生成速率和敏感性进行了分析,得到可正庚烷裂解过程中苯到芘的主要生成路径。最后对正庚烷裂解结焦状况进行了测量和分析,在裂解管道中不同部位焦炭的颗粒形状、分布等,并对比了不同材质不锈钢管及其钝化前后对裂解结焦形态的影响。从流动和壁面化学反应角度分别开发出了固相沉积和壁面反应两种燃料裂解结焦模型,并对通道内的结焦特性进行了预测,和实验值有较高的吻合度。利用构建模型分析了温度、流量、管径和压力对结焦量的影响,研究表明,低温和高流量的条件对于抑制结焦具有非常明显的作用,而管径和压力的影响呈现非单调的规律。燃料裂解程度,对固相沉积和壁面反应两种结焦模型作用范围有较大影响,在实际通道内存在耦合作用和互补性。
【图文】：

逦１７２逡逑图１．４是ＲＰ－３的密度随温度的变化图，包括气相、液相、气－液和超临界四逡逑个区，以及裂解时的状态，ＲＰ－３的临界点为６３０Ｋ和２．５ＭＰａ，在高超声速飞行逡逑过程中，燃料处于高温高压的超临界状态，其密度类似液体但扩散性类似于气体，逡逑裂解产生的小分子燃烧速度快，不仅能满足冷却性能而且提高了发动机的燃烧性逡逑能。逡逑画逡逑４００逦６００逦８００逦１（３００逦１２００逡逑酿／Ｋ逡逑图１．４邋ＲＰ－３航空煤油温度密度物态变化逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｐｈａｓｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｉｎ邋ａｖｉａｔｉｏｎ邋ｋｅｒｏｓｅｎｅ邋ＲＰ－３逡逑热沉是指单位质量或体积燃料在使用过程中所吸收的热量，是评价燃料吸热逡逑能力的重要指标，也是热管理中衡量燃料冷却能力大小的重要参数，它包括物理逡逑热沉和化学热沉，前者指仅指温度和相态改变所吸收的热量，后者则是指燃料发逡逑生化学反应时吸收的热量。表１．２可以看出单位体积碳氢燃料具有较高的热沉，逡逑吸热型碳氢燃料是超燃冲压发动机主动冷却技术发展的方向。通过碳氢燃料的裂逡逑解反应可以吸收燃烧室壁上较多的热量

逦正庚烷高温热解和结焦动力学及影响机制燃烧分别得到的焦炭和碳烟的反应路径都非常相似，这也是碳氢化合物高温过程中必然的发展趋势。逡逑（１）焦炭和碳烟的形成过程逡逑王海，，Ｔｒｅｅ等（Ｔｒｅｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７；邋Ｗａｎｇ，邋２０１１）总结了的燃料在燃烧或裂解过碳烟或焦炭的成长过程，如图１．４所示，主要有高温裂解气化（Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、芳烃生成（ＰＡＨｓ）、成核反应（Ｎｕｄｅａｔｉｏｎ）、碳核碰撞合并（Ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ），生长（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｇｒｏｗｔｈ）、碳颗粒凝聚（Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）等过程，其中碳烟在燃烧过程中其表面可能会被ｃｏ２、ＣＯ、Ｈ２０等含氧气体分子所氧化，碳烟面氧化可随时发生，其氧化剂成分也会因燃烧方式、环境温度、压力和燃料等不同而变化。对于成流扩散火焰，上述过程是逐步推进的（Ａｇａｒｗａｌｅｔａｌ．，２Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１；邋Ｓｔｏｕｆｆｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００７），但对于完全预混燃烧和裂解反应同时进行。机动车尾气的排放颗粒是碳烟和其他液体或固态挥发性有机物的物，其中碳烟质量己经达到机动车尾气排放的ＰＭ总质量的一半以上（Ｌｅｅｅ１９９８；邋Ｔａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７；邋Ｕｌｌｍａｎ，邋１９８９）。逡逑
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16


本文编号：2593094