發(fā)布時間：2020-03-21 08:57

【摘要】：吸熱型液體碳氫燃料具有較高的熱沉,對超燃沖壓發(fā)動機進行吸熱冷卻后,自身裂解產(chǎn)生更多易燃氣體從而提高了燃燒效率和發(fā)動機工作效率。碳氫燃料在吸熱裂解過程中生成氣體的選擇性對反應(yīng)條件非常敏感,產(chǎn)物組成變化對燃燒室的燃燒特性和主動冷卻熱管理特性都有著非常重要的影響,同時燃料在主動冷卻通道內(nèi)高溫裂解結(jié)焦也是高超音速發(fā)動機飛行中存在的嚴重問題之一,因此如何準確把握燃料裂解特性并預(yù)測組分變化對吸熱性能的影響,以及如何抑制并減少結(jié)焦等問題對發(fā)動機運行非常重要。為此,本研究論文主要圍繞碳氫燃料在高超音速超燃沖壓發(fā)動機主動冷卻特性研究和提高燃燒性能及減少結(jié)焦積碳的需求,以碳氫燃料在主動冷卻微通道中流動熱解和結(jié)焦為主要研究方向,開展了正庚烷在微小通道中熱裂解和結(jié)焦實驗和模型研究,主要分析了正庚烷熱裂解結(jié)焦中反應(yīng)條件變化所帶來的的影響。主要內(nèi)容包含以下幾個方面:首先介紹了裂解和燃燒的概念及不同點,重點介紹了碳氫燃料裂解在超燃沖壓發(fā)動機中的應(yīng)用,碳氫燃料反應(yīng)機理模型的構(gòu)建,并對結(jié)焦和碳煙的概念做了解釋,分析了焦炭和碳煙的形成過程等。其次對正庚烷在微小圓形通道熱裂解結(jié)焦的實驗裝置、檢測方法、產(chǎn)物組成等,測量結(jié)果與文獻中相關(guān)實驗進行了對照。分析了正庚烷裂解主要產(chǎn)物以及正庚烷的含量隨流速、溫度和壓力變化的規(guī)律,烯烴和烷烴生成比例的隨流量和溫度的變化等,并指出乙烯、丙烯、甲烷和乙烷是正庚烷熱裂解主要的氣體產(chǎn)物。構(gòu)建了一個44個組分166步反應(yīng)的正庚烷純裂解機理,并用實驗數(shù)據(jù):不同反應(yīng)溫度、壓力和流速下得到主要產(chǎn)物含量和正庚烷轉(zhuǎn)化率進行驗證,其結(jié)果要好于目前文獻中正庚烷氧化機理所計算結(jié)果。使用所構(gòu)建的裂解機理模型從動力學(xué)上分析并解釋了不同溫度和壓力下正庚烷裂解產(chǎn)物變化規(guī)律及其原因,溫度和壓力對正庚烷裂解過程中停留時間、速率、平均分子量和密度變化的影響等,并提出了提高烯烴收率和轉(zhuǎn)化率的最佳反應(yīng)條件。對高轉(zhuǎn)化率下正庚烷裂解產(chǎn)物的氣相和液相產(chǎn)物組成、含量及其隨溫度和流量變化進行了測量。構(gòu)建了一個正庚烷裂解到多環(huán)芳烴(暈苯)生成的226組分和1113步反應(yīng)的詳細裂解機理模型,使用構(gòu)建模型對正庚烷裂解實驗進行了數(shù)值模擬,并和文獻中正庚烷氧化及多環(huán)芳烴生成詳細機理模型計算結(jié)果進行對比,總的來看前者要好于后者。對比了兩個模型計算主要的苯系物和多環(huán)芳烴隨溫度和壓力變化,并對不同當量比下苯的反應(yīng)路徑,多環(huán)芳烴的生成速率和敏感性進行了分析,得到可正庚烷裂解過程中苯到芘的主要生成路徑。最后對正庚烷裂解結(jié)焦狀況進行了測量和分析,在裂解管道中不同部位焦炭的顆粒形狀、分布等,并對比了不同材質(zhì)不銹鋼管及其鈍化前后對裂解結(jié)焦形態(tài)的影響。從流動和壁面化學(xué)反應(yīng)角度分別開發(fā)出了固相沉積和壁面反應(yīng)兩種燃料裂解結(jié)焦模型,并對通道內(nèi)的結(jié)焦特性進行了預(yù)測,和實驗值有較高的吻合度。利用構(gòu)建模型分析了溫度、流量、管徑和壓力對結(jié)焦量的影響,研究表明,低溫和高流量的條件對于抑制結(jié)焦具有非常明顯的作用,而管徑和壓力的影響呈現(xiàn)非單調(diào)的規(guī)律。燃料裂解程度,對固相沉積和壁面反應(yīng)兩種結(jié)焦模型作用范圍有較大影響,在實際通道內(nèi)存在耦合作用和互補性。
【圖文】：

邐１７２逡逑圖１．４是ＲＰ－３的密度隨溫度的變化圖，包括氣相、液相、氣－液和超臨界四逡逑個區(qū)，以及裂解時的狀態(tài)，ＲＰ－３的臨界點為６３０Ｋ和２．５ＭＰａ，在高超聲速飛行逡逑過程中，燃料處于高溫高壓的超臨界狀態(tài)，其密度類似液體但擴散性類似于氣體，逡逑裂解產(chǎn)生的小分子燃燒速度快，不僅能滿足冷卻性能而且提高了發(fā)動機的燃燒性逡逑能。逡逑畫逡逑４００邐６００邐８００邐１（３００邐１２００逡逑釀／Ｋ逡逑圖１．４邋ＲＰ－３航空煤油溫度密度物態(tài)變化逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｐｈａｓｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｉｎ邋ａｖｉａｔｉｏｎ邋ｋｅｒｏｓｅｎｅ邋ＲＰ－３逡逑熱沉是指單位質(zhì)量或體積燃料在使用過程中所吸收的熱量，是評價燃料吸熱逡逑能力的重要指標，也是熱管理中衡量燃料冷卻能力大小的重要參數(shù)，它包括物理逡逑熱沉和化學(xué)熱沉，前者指僅指溫度和相態(tài)改變所吸收的熱量，后者則是指燃料發(fā)逡逑生化學(xué)反應(yīng)時吸收的熱量。表１．２可以看出單位體積碳氫燃料具有較高的熱沉，逡逑吸熱型碳氫燃料是超燃沖壓發(fā)動機主動冷卻技術(shù)發(fā)展的方向。通過碳氫燃料的裂逡逑解反應(yīng)可以吸收燃燒室壁上較多的熱量

邐正庚烷高溫熱解和結(jié)焦動力學(xué)及影響機制燃燒分別得到的焦炭和碳煙的反應(yīng)路徑都非常相似，這也是碳氫化合物高溫過程中必然的發(fā)展趨勢。逡逑（１）焦炭和碳煙的形成過程逡逑王海，，Ｔｒｅｅ等（Ｔｒｅｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７；邋Ｗａｎｇ，邋２０１１）總結(jié)了的燃料在燃燒或裂解過碳煙或焦炭的成長過程，如圖１．４所示，主要有高溫裂解氣化（Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、芳烴生成（ＰＡＨｓ）、成核反應(yīng)（Ｎｕｄｅａｔｉｏｎ）、碳核碰撞合并（Ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ），生長（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｇｒｏｗｔｈ）、碳顆粒凝聚（Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）等過程，其中碳煙在燃燒過程中其表面可能會被ｃｏ２、ＣＯ、Ｈ２０等含氧氣體分子所氧化，碳煙面氧化可隨時發(fā)生，其氧化劑成分也會因燃燒方式、環(huán)境溫度、壓力和燃料等不同而變化。對于成流擴散火焰，上述過程是逐步推進的（Ａｇａｒｗａｌｅｔａｌ．，２Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１；邋Ｓｔｏｕｆｆｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００７），但對于完全預(yù)混燃燒和裂解反應(yīng)同時進行。機動車尾氣的排放顆粒是碳煙和其他液體或固態(tài)揮發(fā)性有機物的物，其中碳煙質(zhì)量己經(jīng)達到機動車尾氣排放的ＰＭ總質(zhì)量的一半以上（Ｌｅｅｅ１９９８；邋Ｔａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７；邋Ｕｌｌｍａｎ，邋１９８９）。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK16


本文編號：2593094