大分子碳氢燃料反应动力学的简化建模

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大分子液态碳氢燃料以其体积能量密度和质量能量密度的平衡以及良好的存储运输特性,在可预见的未来依然是航空航天和地面(尤其是非道路)交通运输等领域推动现代社会发展的主要能源。基于分子结构中化学官能团的不同,碳氢燃料组分可以分为直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃等。在当今及未来社会愈发严重的能源危机和愈加严苛的排放法规的压迫之下,发展能够准确描述大分子碳氢燃料燃烧特性的化学反应动力学模型对进一步提高燃油效率及降低污染物排放至关重要。本研究课题针对详细化学反应机理构建过程异常复杂和难以有效嵌套至计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件或代码,对真实发动机系统开展仿真研究的问题,提出了发展简化模型显著降低建模规模,同时再进一步做模型缩减,以期降低建模复杂度并有效耦合CFD软件或代码,达到对真实发动机系统设计、优化的目的。基于对大分子碳氢燃料燃烧物理过程及反应动力学的理解,结合基元反应特征时间分析和准稳态假设,本研究建立了直链烷烃(正辛烷)和支链烷烃(异辛烷)的高温反应动力学简化模型,并开展了研究较少的环烷烃(甲基环己烷)和芳香烃(正丁基苯)的高温反应动力学简化建模工作;对复杂的低温燃烧过程做简化处理,以正庚烷、异辛烷为例,建立了低温反应动力学简化模型。利用Ansys@Chem Kin Pro动力学模拟软件进行氧化和热解中间产物、点火延时时间(Ignition Delay Time,IDT)以及层流火焰燃烧速率等基础燃烧特性数据的预测及数据验证;分析了中间产物对宏观燃烧特性的影响及与燃料转化相关的重要反应。研究结果表明,本简化建模方法较好地描述了正辛烷、异辛烷、甲基环己烷和正丁基苯的高温燃烧反应过程;对正庚烷和异辛烷的低温燃烧反应过程也有较好描述。高温条件下,不同官能团的大分子碳氢燃料裂解中间产物的不同决定了其不同的宏观燃烧特性,且燃料C-C键裂解反应在燃料转化中作用最显著,H·和CH3·参与的燃料脱氢反应对燃料消耗也有较大贡献,而含氧自由基的影响则相对有限。低温条件下,醛类物质主要影响宏观燃烧特性,且OH·参与的燃料脱氢反应和氢过氧化烷基自由基自身裂解反应对低温下燃料消耗作用最大;链传播反应降低了反应活性,其与链分支反应的竞争导致负温度反应区域(Negtive Tmperature Combustion,NTC)的形成。
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