邴政(中國(guó)航油集團(tuán)北方儲(chǔ)運(yùn)有限公司，天津 300452)

RP-3航空煤油熱物性分析

邴政(中國(guó)航油集團(tuán)北方儲(chǔ)運(yùn)有限公司，天津 300452)

針對(duì)航空煤油等吸熱碳?xì)淙剂系臒嵛镄苑治隼щy度，本文采用優(yōu)選替代燃料的方法，將我國(guó)自主研制生產(chǎn)的RP-3航空煤油作為研究對(duì)象，對(duì)其各項(xiàng)熱物性特征進(jìn)行分析與總結(jié)，以此在掌握RP-3航空煤油主要特征的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證分析方法的可行性與可推廣性。

RP-3航空煤油；替代燃料；熱物性分析

對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其運(yùn)行時(shí)采用的吸熱碳?xì)淙剂弦话闶潜蛔鳛橐环N冷卻劑使用的，用于吸收機(jī)體中的熱量，飛行馬赫數(shù)是影響其狀態(tài)與溫度的主要因素。相比于液態(tài)燃料，在持續(xù)加熱的狀態(tài)下，燃料存在不同的噴注過(guò)程、燃燒過(guò)程與熱物性特性。碳?xì)淙剂嫌捎诔煞质謴?fù)雜所以熱物理性質(zhì)分析存在很大的困難。以最常用的航空煤油為例，主要由數(shù)千種成分構(gòu)成，而且具體成分因廠家與年份的不同也有一定變化。因此，必須找尋便于分析和研究的替代燃料。

1 優(yōu)選替代燃料

在選擇替代燃料時(shí)，應(yīng)考慮需進(jìn)行模擬分析的燃料性質(zhì)與特點(diǎn)，通常分成化學(xué)與物理替代兩類(lèi)。其中，物理替代有著與真實(shí)燃料十分相近的物理特性，主要在物理過(guò)程模擬中使用；而化學(xué)替代則有與真實(shí)燃料相近的化學(xué)特性，主要在化學(xué)過(guò)程模擬中使用。對(duì)于替代燃料的準(zhǔn)確性與有效性驗(yàn)證可圍繞具體問(wèn)題對(duì)應(yīng)的具體過(guò)程來(lái)實(shí)施，通常是以若干關(guān)鍵參數(shù)分析模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如，物理替代因只關(guān)注燃料的輸運(yùn)特性，所以僅需對(duì)真實(shí)與替代燃料的物理參數(shù)進(jìn)行匹配即可，包括臨界參數(shù)與揮發(fā)性等[1]。

針對(duì)替代燃料方面的分析研究，國(guó)外已開(kāi)展一定嘗試。例如將正十二烷作為JP-7航空煤油的替代燃料對(duì)其熱傳導(dǎo)性與裂解特征進(jìn)行分析。對(duì)我國(guó)的RP-3航空煤油而言，其主要由三大部分構(gòu)成，分別為飽和與不飽和碳?xì)浠衔镆约胺枷阕寤衔?。其中，具有一定代表性的主要成分包括芳烴、飽和直鏈烴與飽和環(huán)烷烴。考慮到RP-3航空煤油的構(gòu)成與密度和法國(guó)煤油相近，所以可參照其模型對(duì)RP-3具體成分進(jìn)行分析。其替代煤油的組分為正丙基苯、正十烷與三甲基環(huán)己烷。其數(shù)據(jù)模擬最終結(jié)果的驗(yàn)證主要采用高溫條件下流量、臨界參數(shù)及低溫條件下密度。

2 煤油的熱力學(xué)特性

對(duì)于一個(gè)流體所具有的熱力學(xué)特性而言，一般能劃分為兩個(gè)部分，分別為相對(duì)于理想氣體在一定溫度條件下的理論值和流體的真實(shí)效應(yīng)。根據(jù)熱力學(xué)的基本關(guān)系，可得出熱力學(xué)特性（焓值）關(guān)系式：

式（1）中包含的ρ與T可采用ECS法則轉(zhuǎn)換為相對(duì)于理想氣體在一定溫度條件下的理論值，方程求解則可以使用BWR方程。運(yùn)用相似的方法也能得出熵、聲速與比熱等熱力學(xué)函數(shù)。因γ的倒數(shù)與比熱呈反比關(guān)系，而且γ與所選分析基本結(jié)構(gòu)還有這較為密切的聯(lián)系，所以由不同結(jié)構(gòu)造成的比熱比波動(dòng)會(huì)使其計(jì)算出現(xiàn)一定誤差。在常壓條件下，350K對(duì)應(yīng)的比熱計(jì)算結(jié)果為1.5kJ/（kg·K），這一數(shù)值略小于常規(guī)值，間接說(shuō)明了所選替代煤油自身存在一定改進(jìn)空間[2]。

3 煤油的輸運(yùn)特性

將ECS理論作為依據(jù)，混合物與純物質(zhì)輸運(yùn)系數(shù)均能采用假想的單組份流體進(jìn)行近似。例如，依據(jù)法則可對(duì)粘性系數(shù)進(jìn)行定義，表達(dá)式為：

式（5）中，M表示流體分子量。當(dāng)單流體模型對(duì)輸運(yùn)系數(shù)進(jìn)行處理時(shí)，往往存在一定先天性缺陷，由于輸運(yùn)特征涵蓋混合物部分特有的性質(zhì)，所以模型很難對(duì)此類(lèi)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。Mx表示和混合物輸運(yùn)系數(shù)相對(duì)應(yīng)的分子量，它需要借助特定法則進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)參考流體，它的粘性系數(shù)能劃分為三個(gè)主要部分，同時(shí)采取實(shí)驗(yàn)的方法確定：

式（6）中，ηid是理想氣體對(duì)應(yīng)的粘性系數(shù)，一般只與溫度有關(guān)，不考慮密度；ηexc表示一階密度修正，不考慮臨界效應(yīng)；ηcrit表示臨界增益，通常只在靠近臨界點(diǎn)時(shí)才顯得較為重要，可采用Enskog進(jìn)行計(jì)算。

隨溫度的不斷提高，煤油自身粘性快速下降，逐漸達(dá)到氣態(tài)，但超臨界流體卻有著和氣體較為相似的輸運(yùn)特性[3]。雖然這一模型能很好的對(duì)粘性系數(shù)及溫度、壓力間的關(guān)系進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，但因單流體模型自身固有的局限性，會(huì)使煤油這種典型混合物在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)很大偏差。比如，當(dāng)溫度為293K時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水平下的粘性系數(shù)計(jì)算結(jié)果等于7.8×10-4Pa·s，而在完全相同的條件下，RP-3煤油實(shí)際粘性系數(shù)等于1.0×10-3Pa·s（根據(jù)密度測(cè)量值與查表得出）。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域較為常用的吸熱碳?xì)淙剂?，提出可在物性模擬過(guò)程中采用的替代燃料。將RP-3航空煤油作為主要研究對(duì)象，選擇當(dāng)前公認(rèn)最佳的替代模型，同時(shí)根據(jù)廣義層面上的對(duì)應(yīng)狀態(tài)法則針對(duì)替代燃料的各項(xiàng)物性實(shí)施模擬。通過(guò)計(jì)算與分析，本文所用替代沒(méi)有能很好的對(duì)煤油處于不同狀態(tài)下的物理特性進(jìn)行描述，同時(shí)也能十分準(zhǔn)確的對(duì)煤油流動(dòng)參數(shù)與密度進(jìn)行模擬。除此之外，還采用在超臨界態(tài)流量測(cè)定中使用的新方法。相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方法具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，然而在靠近臨界點(diǎn)時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)一定誤差，是未來(lái)亟需改進(jìn)的重點(diǎn)，可通過(guò)對(duì)替代燃料的不斷優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。