国产航空煤油RP-3及其替代模型高温热解和氧化初始反应机理研究
发布时间：2021-03-23 06:16
航空发动机是国防、交通等领域的核心装备,反映了一个国家的科技和工业能力。燃烧过程的化学反应机理研究是认识燃烧本质的重要手段和途径。探明航空燃料的燃烧机理是进行发动机燃烧数值模拟,进而推动发动机设计所需要重点解决的问题之一。RP-3是我国常用的航空煤油,组成成分较为复杂,通常采取构建替代燃料模型的方法来简化燃烧反应机理研究的复杂度。目前已有多种针对RP-3的替代燃料模型被提出,但这些模型中烃的种类和比例均存在一定的差异,为模型的选择和其在数值模拟中的应用带来了较大困难。在本文中,笔者首先依据实验数据构建了RP-3的详细组分（45组分）模型。然后采用基于反应力场（Reactive force field,ReaxFF）的分子动力学模拟方法,系统地研究了详细组分模型的高温热解和氧化的反应机理。以详细组分的反应机理为基准,对两种已被广泛使用的3组分和4组分RP-3替代模型的可靠性进行了深入评估。在高温热解的模拟研究中,发现3组分和4组分替代模型均会高估主要产物乙烯的产量,其中3组分模型高估约10%,4组分模型高估约15%。这种高估的主要原因是替代模型中直链烷烃的含量过高,3组分中直链烷烃的质量...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
优化后的RP-3热解初始构型:(a)3组分模型，(b)4组分模型，(c)45组分模型
与热解模型保持一致，均设为 0.1g/cm3。为了观察到 RP-3 燃料分子更详细的氧化应路径，将氧化模拟的时间扩大到 1ns，最终构建 ReaxFFMD 模拟的 RP-3 氧化模规模为：3 组分氧化模型含有 13284 个原子数，4 组分模型含有 12930 个原子，45分模型含有 12262 个原子。详细组分与替代模型的氧化初始模型如图 2.2 所示。通过对热解反应行为的分析可知，当温度达到 2800K 时燃料分子的反应性更高，此氧化模拟的温度选为 2800 K，选择这个模拟温度的原因主要有：这个温度下的化模拟结果可以与热解模拟结果进行对比，以便对航空煤油 RP-3 的热解与氧化过有更加清晰的认识，高温条件下能够加速化学反应，可以在有限的模拟时间内得到多的反应信息。采用 ReaxFF 力场对得到的初始构型进行能量最小化和动力学预平处理，具体步骤参考本章 2.2.1。随后在 NVT 系综中进行温度为 2800 K 的恒温eaxFF MD 模拟。三种 RP-3 模型的初始氧化模型如图 2.2 所示。
本论文首先对升温模拟过程中燃料分子随时间的演化趋势进行了分析，如图3.1 所示。为了更加清晰地展示替代模型与 45 组分模型燃料分子的失重差异，将替代模型燃料分子的质量分数分别与 45 组分模型做差，如图 3.2 所示。3 组分和 4 组分替代模型在 2000K 附近开始分解，而 45 组分模型在 1500K 附近开始少量分解，当温度低于 2200 K 时，45 组分模型燃料分子消耗速率高于两种替代模型；当温度高于2200K 时，两种替代模型燃料分子的消耗速率增大，分解速率大于 45 组分模型。通过对反应列表的分析可知造成这种差异的主要原因是：45 组分 RP-3 模型中含有质量分数为 25.7%的支链烷烃，与其他类烃类相比，支链烷烃在温度较低时更容易分解。因此低温时 45 组分模型燃料分子的消耗速率更快些；随着温度的升高
【参考文献】：
期刊论文
[1]RP-3航空煤油替代燃料简化-优化反应动力学建模[J]. 黄文宣,陈方,刘洪,黄小彬. 上海交通大学学报. 2017(12)
[2]RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型[J]. 郑东,于维铭,钟北京. 物理化学学报. 2015(04)
[3]RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟[J]. 徐佳琪,郭俊江,刘爱科,王健礼,谈宁馨,李象远. 物理化学学报. 2015(04)
[4]乙烯氧化动力学机理简化[J]. 刘爱科,李树豪,王繁,李象远. 推进技术. 2015(01)
[5]RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应简化机理[J]. 曾文,李海霞,马洪安,梁双,陈保东. 推进技术. 2014(08)
[6]RP-3航空煤油燃烧的详细和简化化学动力学模型[J]. 肖保国,杨顺华,赵慧勇,钱炜祺,乐嘉陵. 航空动力学报. 2010(09)
本文编号：3095307
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
优化后的RP-3热解初始构型:(a)3组分模型，(b)4组分模型，(c)45组分模型
与热解模型保持一致，均设为 0.1g/cm3。为了观察到 RP-3 燃料分子更详细的氧化应路径，将氧化模拟的时间扩大到 1ns，最终构建 ReaxFFMD 模拟的 RP-3 氧化模规模为：3 组分氧化模型含有 13284 个原子数，4 组分模型含有 12930 个原子，45分模型含有 12262 个原子。详细组分与替代模型的氧化初始模型如图 2.2 所示。通过对热解反应行为的分析可知，当温度达到 2800K 时燃料分子的反应性更高，此氧化模拟的温度选为 2800 K，选择这个模拟温度的原因主要有：这个温度下的化模拟结果可以与热解模拟结果进行对比，以便对航空煤油 RP-3 的热解与氧化过有更加清晰的认识，高温条件下能够加速化学反应，可以在有限的模拟时间内得到多的反应信息。采用 ReaxFF 力场对得到的初始构型进行能量最小化和动力学预平处理，具体步骤参考本章 2.2.1。随后在 NVT 系综中进行温度为 2800 K 的恒温eaxFF MD 模拟。三种 RP-3 模型的初始氧化模型如图 2.2 所示。
本论文首先对升温模拟过程中燃料分子随时间的演化趋势进行了分析，如图3.1 所示。为了更加清晰地展示替代模型与 45 组分模型燃料分子的失重差异，将替代模型燃料分子的质量分数分别与 45 组分模型做差，如图 3.2 所示。3 组分和 4 组分替代模型在 2000K 附近开始分解，而 45 组分模型在 1500K 附近开始少量分解，当温度低于 2200 K 时，45 组分模型燃料分子消耗速率高于两种替代模型；当温度高于2200K 时，两种替代模型燃料分子的消耗速率增大，分解速率大于 45 组分模型。通过对反应列表的分析可知造成这种差异的主要原因是：45 组分 RP-3 模型中含有质量分数为 25.7%的支链烷烃，与其他类烃类相比，支链烷烃在温度较低时更容易分解。因此低温时 45 组分模型燃料分子的消耗速率更快些；随着温度的升高
【参考文献】：
期刊论文
[1]RP-3航空煤油替代燃料简化-优化反应动力学建模[J]. 黄文宣,陈方,刘洪,黄小彬. 上海交通大学学报. 2017(12)
[2]RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型[J]. 郑东,于维铭,钟北京. 物理化学学报. 2015(04)
[3]RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟[J]. 徐佳琪,郭俊江,刘爱科,王健礼,谈宁馨,李象远. 物理化学学报. 2015(04)
[4]乙烯氧化动力学机理简化[J]. 刘爱科,李树豪,王繁,李象远. 推进技术. 2015(01)
[5]RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应简化机理[J]. 曾文,李海霞,马洪安,梁双,陈保东. 推进技术. 2014(08)
[6]RP-3航空煤油燃烧的详细和简化化学动力学模型[J]. 肖保国,杨顺华,赵慧勇,钱炜祺,乐嘉陵. 航空动力学报. 2010(09)
本文编号：3095307
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