鄭 東 鐘北京 姚 通

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航空煤油替代燃料模型構(gòu)建方法及HEF航空煤油替代燃料模型

鄭 東1,2鐘北京2,*姚 通3

(1西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 成都 610031；2清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084；3清華大學(xué)熱能工程系燃燒能源中心，北京100084)

本文在完善燃燒化學(xué)特性參數(shù)，發(fā)展更準(zhǔn)確的混合物特性參數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出一套完整的、精確的航煤替代燃料模型構(gòu)建方法。并采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首次測量了初始溫度420和460 K、壓力0.1 MPa，實(shí)際HEF航煤以及代表性組分十氫萘的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，為本文發(fā)展和驗(yàn)證替代燃料模型提供充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。依據(jù)該方法提出了摩爾分?jǐn)?shù)為65%正十二烷、10%正十四烷、25%十氫萘三組分HEF航煤替代燃料模型。充分的的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證表明，替代燃料模型與實(shí)際HEF航煤在物理特性和燃燒化學(xué)特性方面有很高的相似性。本文提出的HEF航煤替代燃料模型和實(shí)驗(yàn)測量的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，為后續(xù)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的發(fā)展與驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

航空煤油；替代燃料；高能量密度燃料；層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?；反?yīng)機(jī)理

1 引言

為了進(jìn)一步提高飛行器航速與航程，高能量密度燃料(HEF: High Energy Density Fuel)成為各國爭相研究的熱點(diǎn)1。其中，HEF航空煤油(以下簡稱航煤)在航空發(fā)動機(jī)燃燒室中湍流燃燒的研究最具重要性和挑戰(zhàn)性，其核心問題是強(qiáng)烈的湍流與燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)的相互作用2，因此發(fā)展HEF航煤化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是闡明湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用的必要前提。鑒于HEF航煤是包含多種大分子碳?xì)浠衔锏膹?fù)雜混合物，直接構(gòu)建其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型是行不通的。因此，需要發(fā)展包含較少組分的替代燃料模型，進(jìn)而構(gòu)建其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。這種方法也常用于研究其它燃油(汽油、柴油)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)3–5。目前大量的研究均針對傳統(tǒng)航煤，試圖發(fā)展能夠表征實(shí)際燃料部分物理特性和燃燒化學(xué)特性的替代燃料模型。

Edwards等6比較了正十二烷與JP-7航煤的物理特性(密度、粘度、導(dǎo)熱率、熱熔等物理特性)，認(rèn)為正十二烷可以作為JP-7航煤粗略的物理替代模型。在后續(xù)研究中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)替代燃料必須能夠描述實(shí)際燃料重要的物理和燃燒化學(xué)反應(yīng)特性7。Wood等8根據(jù)蒸餾曲線的匹配性提出了JP-4航煤的14組分替代燃料模型。Violi等9提出6組分和7組分的替代燃料模型，用于描述JP-8航煤的蒸餾特性、閃點(diǎn)、組成、碳煙生成等特性。范學(xué)軍等10針對RP-3航煤，基于熱物性提出了摩爾分?jǐn)?shù)為49%正癸烷/44%三甲基環(huán)己烷/7%丙基苯替代燃料模型。曾文等11同樣基于物理特性，提出了摩爾分?jǐn)?shù)為65%正十烷/10%甲苯/25%丙基環(huán)己烷RP-3航空煤油替代燃料模型。但是這些替代燃料模型10–12缺少燃燒化學(xué)特性方面的驗(yàn)證，而且部分替代燃料模型代表性組分較多，不易于反應(yīng)動力學(xué)模型的發(fā)展。

因此，為了同時(shí)兼顧物理和燃燒化學(xué)特性相似性，近年來發(fā)展替代燃料模型的思路大多是：以匹配重要特性參數(shù)，如密度、分子量(MW: Molecular Weight)、氫碳原子數(shù)比(H/C: Hydrogen/Carbon)、衍生十六烷值(DCN: Derived Cetane Number)、碳煙閾值系數(shù)(TSI: Threshold Sooting Index)等為目標(biāo)，確定代表性組分及其比例，從而構(gòu)建替代燃料模型。例如Dooley等13以MW、H/C、DCN和TSI特性參數(shù)為目標(biāo)，提出了摩爾分?jǐn)?shù)為42.67%正癸烷/33.02%異辛烷/24.31%甲苯三組分Jet-A替代燃料模型。隨后著重考慮燃燒化學(xué)特性相似性，提出了摩爾分?jǐn)?shù)為40.4%正十二烷/29.5%異辛烷/22.8%三甲基苯/7.3%正丙基苯四組分Jet-A替代燃料模型14。我們之前的研究15以匹配密度、粘度、MW和H/C為目標(biāo)，提出了摩爾分?jǐn)?shù)40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環(huán)己烷和5%對二甲苯四組分RP-3航煤替代燃料模型，并發(fā)展其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。雖然相關(guān)的研究已經(jīng)考慮到了燃燒化學(xué)特性相似性，但匹配燃燒化學(xué)特性參數(shù)仍然不夠全面，針對混合物目標(biāo)參數(shù)計(jì)算大多采用近似線性關(guān)系式13–15。

因此，本文就進(jìn)一步完善燃燒化學(xué)特性參數(shù)，以及更為精確的混合物特性參數(shù)計(jì)算方法展開深入研究，提出一套完整的、精確的航煤替代燃料模型構(gòu)建理論方法。依據(jù)該理論方法發(fā)展能夠全面描述實(shí)際HEF航煤物理和燃燒化學(xué)特性的替代燃料模型。并采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量實(shí)際HEF航煤及替代燃料模型層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋仳?yàn)證其燃燒化學(xué)特性的相似性。為后續(xù)HEF航煤化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證，提供準(zhǔn)確替代燃料模型和充分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 發(fā)展航煤替代燃料模型的方法

2 替代燃料模型構(gòu)建理論方法

如圖1所示給出了本文提出的發(fā)展航煤替代燃料模型的方法，該方法可分為三個(gè)層次：一是通過實(shí)驗(yàn)研究實(shí)際燃油組成、物理和燃燒化學(xué)特性。二是依據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的燃油特性，選擇不同烴類的代表性組分。三是優(yōu)化代表性組分比例，具體過程如圖1所示，通過優(yōu)化程序初步確定代表性組分比例，進(jìn)而計(jì)算混合物特性參數(shù)，然后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)(即全局誤差)，最后判斷全局誤差是否達(dá)到最小。從而，使得混合物(即替代燃料模型)的物理、燃燒化學(xué)特性與實(shí)際燃油匹配。對于前兩個(gè)層次具體內(nèi)容在我們之前的研究15和相關(guān)文獻(xiàn)14中有詳細(xì)介紹，這里不再累贅。本文將重點(diǎn)闡述在第三層次中所完善的燃燒化學(xué)特性參數(shù)，以及精確的混合物特性參數(shù)計(jì)算方法。

2.1 目標(biāo)特性參數(shù)

替代燃料模型要能準(zhǔn)確描述實(shí)際燃油流動、霧化蒸發(fā)、著火燃燒等特性，其所要匹配的物理和燃燒化學(xué)特性參數(shù)必須更加全面。下面逐一介紹重要的目標(biāo)特性參數(shù)，及由代表性組分組成的混合物特性參數(shù)計(jì)算方法。

2.1.1 密度/黏度

密度是燃油最基本的物理特性之一，文獻(xiàn)16中作為替代模型首要匹配的物理特性參數(shù)，對于混合物密度計(jì)算均采用近似線性關(guān)系式(1)。而黏度不僅關(guān)系到傳輸性質(zhì)，而且一定程度上決定了燃油的霧化蒸發(fā)過程。為了能夠再現(xiàn)航煤在噴霧燃燒中的霧化蒸發(fā)特性，替代燃料模型的密度和黏度均應(yīng)該與實(shí)際航煤接近，因此本文同時(shí)選擇密度、黏度物理特性參數(shù)。與此同時(shí)，本文基于Supertrapp程序17采用廣義對應(yīng)狀態(tài)法則和Peng-Robinson方程對混合物的密度、粘度進(jìn)行更為精確的計(jì)算，以取代近似線性關(guān)系式(1)的計(jì)算方法。

ρ = ∑viρi(1)

式(1)中v是代表性組分的液體體積分?jǐn)?shù)，ρ是代表性組分的密度。

2.1.2 分子量/碳?xì)浔?/p>

分子量對氣相燃料的擴(kuò)散有重要影響18，要能描述航空煤油氣相擴(kuò)散特性，替代燃料模型平均分子量應(yīng)該與航煤分子量匹配；碳?xì)浔葲Q定了燃燒產(chǎn)物CO2和H2O的比例，控制反應(yīng)系統(tǒng)的生成焓和絕熱火焰溫度，對燃料燃燒有重要影響14，替代燃料模型的碳?xì)浔刃枧c航空煤油一致。對于混合物平均分子量和碳?xì)浔瓤梢酝ㄟ^式(2)、(3)準(zhǔn)確計(jì)算。

MW = ∑xiMWi(2) H/C = (∑xiHi)/(∑xiCi)(3)

式(2)、(3)中x是代表性組分摩爾分?jǐn)?shù)，MW、H和C分別是代表性組分的分子量、氫原子數(shù)和碳原子數(shù)。

2.1.3 DCN

DCN反映燃油噴霧燃燒著火過程特性，是重要的燃燒化學(xué)特性參數(shù)之一。大量的文獻(xiàn)13,19–21通過實(shí)驗(yàn)測量了純組分、混合燃料以及實(shí)際燃油的DCN，其中Dooley等13針對正癸烷/甲苯/異辛烷兩組分和三組分混合燃料的DCN進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究。如圖2所示整理了隨甲苯液體體積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)變化，正癸烷/甲苯混合燃料DCN實(shí)驗(yàn)測量值13，并進(jìn)行了線性擬合。由圖2可見，混合燃料的DCN與組分液體體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出較高的線性關(guān)系，而與組分摩爾分?jǐn)?shù)線性關(guān)系較差。因此，對于混合物DCN的計(jì)算可以采用線性關(guān)系式(4)。Mueller等19在研究柴油替代燃料模型也采用了該線性關(guān)系式，計(jì)算替代燃料模型DCN。

DCN= ∑viDCNi(4)

2.1.4 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

除了上述DCN描述燃油著火特性外，燃油燃燒特性也是不容忽視的。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁欠从橙剂匣A(chǔ)燃燒特性最重要、最直接的參數(shù)之一22，因此本文首次將層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛橹匾娜紵瘜W(xué)特性參數(shù)，完善匹配的燃燒化學(xué)特性參數(shù)。

圖3給出了Rau等23對異辛烷/乙醇混合燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)測量結(jié)果，并對實(shí)驗(yàn)值隨乙醇液體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了線性回歸，不難發(fā)現(xiàn)混合燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c乙醇液體體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較高的線性關(guān)系。因此，對于混合物層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢圆捎镁€性關(guān)系式(5)計(jì)算獲得。與此同時(shí)，圖4對比了Van Lipzig等24異辛烷/正庚烷/乙醇(液體體積比1/3)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)值，和采用線性關(guān)系式(5)計(jì)算值。由圖4可見，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，充分說明采用線性關(guān)系式(5)能準(zhǔn)確計(jì)算混合物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

FS=∑vFS(5)

圖3 異辛烷/乙醇混合燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量隨乙醇比例的變化關(guān)系23

圖4 異辛烷/正庚烷/乙醇混合燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比24

式(5)中FS是代表性組分的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

2.2 目標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化

目標(biāo)函數(shù)表示混合物和實(shí)際燃油目標(biāo)特性參數(shù)的全局誤差，本文通過式(6)計(jì)算。當(dāng)全局誤差即最小時(shí)，表明混合物目標(biāo)特性參數(shù)與實(shí)際燃油最接近。

Er = WDCNF2DCN + WFSF2FS + WMWF2MW+ WH/CF2H/C + WρF2ρ + WμF2μ(6)

式(6)中W是特性參數(shù)的權(quán)重因子，F定義為混合物與實(shí)際燃油特性參數(shù)的相對誤差。本文通過式(7)–(12)計(jì)算混合物與實(shí)際燃油各個(gè)特性參數(shù)的相對誤差。

FDCN = (DCN ? DCNreal)/DCNreal(7) FFS = (FS ? FSreal)/FSreal(8) FMW = (MW ? MWreal)/MWreal(9) FH/C = (H/C ? H/Creal)/H/Creal(10) Fρ = (ρ ? ρreal)/ρreal(11) Fμ = (μ ? μreal)/μreal(12)

式(7)–(12)中DCNreal、FSreal、MWreal、/real、real和real分別代表實(shí)際燃油的DCN、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、MW、/、密度和動力黏度。

圖5 定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

整個(gè)優(yōu)化過程如圖1所示，首先由組分優(yōu)化計(jì)算獲得代表性組分的組成比例。然后依據(jù)上述混合物特性參數(shù)計(jì)算方法，獲得混合物的特性參數(shù)值。進(jìn)而通過式(6)–(12)計(jì)算相對誤差值和目標(biāo)函數(shù)值，判斷是否達(dá)到最小值。其中組分優(yōu)化算法：確定相對誤差值最大的特性參數(shù)，選擇易于調(diào)整該特性參數(shù)的代表性組分并調(diào)整其比例，歸一化后給出優(yōu)化的組成比例。通過如此反復(fù)迭代計(jì)算直到達(dá)到最小值，獲得替代燃料模型。本文對Supertrapp程序進(jìn)行二次開發(fā)(即修改原程序中參數(shù)輸入和計(jì)算結(jié)果輸出子程序，實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化主程序的耦合)，基于Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)優(yōu)化過程計(jì)算。

3 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)測量

上一節(jié)中提出了一套完整的、精確的航煤替代燃料模型構(gòu)建理論方法。其中層流火焰?zhèn)鞑ニ俣确从橙紵瘜W(xué)特性重要參數(shù)之一，豐富準(zhǔn)確的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是替代燃料模型提出的必要前提。對于大部分代表性組分的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢圆殚喯嚓P(guān)參考文獻(xiàn)25,26，而對于下一節(jié)HEF航煤和代表性組分十氫萘，目前尚無文獻(xiàn)報(bào)道相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此本節(jié)采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖5給出了定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括定容燃燒彈本體、電加熱控溫系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)和高速紋影系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量的初始壓力范圍0.1–3 MPa，初始溫度范圍300 K–530 K。定容燃燒彈內(nèi)腔總體積為2.985 L，觀察窗半徑35 mm采用JGS1石英玻璃?？捎^測的火焰區(qū)域占定容彈體積6.3%，因此可以認(rèn)為在可觀察范圍內(nèi)是球形火焰是定壓燃燒過程。采用Phantom v611高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，拍攝參數(shù)設(shè)置為像素608–608，拍攝速度8000幀/秒。Chen等27對球形火焰法測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?點(diǎn)火、內(nèi)腔邊界、火焰不穩(wěn)定、非線性拉伸等等)進(jìn)行了詳細(xì)分析。因此本文剔除由點(diǎn)火、內(nèi)腔邊界和火焰不穩(wěn)定影響的數(shù)據(jù)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c拉伸率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，并采用線性拉伸法獲得無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

采用上述定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量了初始壓力0.1 MPa、初始溫度420和460 K、當(dāng)量比范圍0.6–1.4條件下，代表性組分十氫萘和HEF航煤的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。如圖6和圖7分別給出了十氫萘/空氣、HEF航煤/空氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)測量結(jié)果。由圖6和圖7可見隨初始溫度增加，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染龃?；在?dāng)量比1.1附近層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大；相同工況下十氫萘和HEF航煤層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔罹噍^小。

4 HEF航煤替代燃料模型

本節(jié)以HEF航煤為對象，采用上述航煤替代燃料模型構(gòu)建方法，發(fā)展HEF航煤的替代燃料模型。HEF航煤樣品來自于天津大學(xué)化工學(xué)院。

4.1 HEF航煤成分和特性參數(shù)

首先通過色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS: Gas Chromatograph-Mass Spectrometer)確定HEF航煤燃料的組成分成及其相對摩爾分?jǐn)?shù)，并分別按照組分的烴類別對GC-MS分析的組分進(jìn)行歸類。如圖8和圖9分別給出了HEF航煤不同烴類組成比例和組成成分碳數(shù)分布。由圖8可見，HEF航煤中基本上只含有鏈烷烴和環(huán)烷烴類物質(zhì)，鏈烷烴類組分占比高達(dá)82.3%，環(huán)烷烴占比19.7%，與RP-3航煤的組成烴類15有較大差異。由圖9可以看出，HEF航煤中碳?xì)浠衔锏奶紨?shù)分布比較集中在C10–C14之間，均為大碳?xì)浠衔?。其中濃度最高的碳?xì)浠衔餅镃11和C12，其總摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)79.7%。

圖6 十氫萘/空氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)測量結(jié)果

圖7 HEF航煤/空氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)測量結(jié)果

圖8 HEF航煤組成成分(摩爾分?jǐn)?shù))

圖9 HEF航煤組成成分碳數(shù)分布

其次對HEF航煤的重要物理和燃燒化學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析。表1給出了本文測量的結(jié)果，并與文獻(xiàn)15中RP-3結(jié)果進(jìn)行了對比。由表1可見HEF航煤的密度、H/C與RP-3航煤接近，但其分子量、粘度、蒸發(fā)溫度、DCN均大于RP-3，表明兩種型號航煤的理化特性有較大的差異。

表1 HEF航煤的特性參數(shù)分析結(jié)果

表2 HEF航煤代表性組分的特性參數(shù)

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4.2 HEF航煤替代燃料模型

上述HEF航煤的組成成分和特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，為構(gòu)建替代燃料模型提供了重要依據(jù)。由HEF航煤成分分析可知該航煤基本上只含有82.3%鏈烷烴和19.7環(huán)烷烴，平均碳原子數(shù)為11.75。鑒于正十二烷分子量、碳原子數(shù)與HEF航煤接近(見表2)，而且正十二烷也是常用的航煤替代燃料組分。與此同時(shí)，正十四烷有較高的分子量、粘度、蒸發(fā)溫度(見表2)，是較為理想的平衡理化特性的組分。因此選擇正十二烷和正十四烷作為新型航煤鏈烷烴代表性組分。相對于單環(huán)烷烴而言，雙環(huán)十氫萘具有更高的碳原子數(shù)和密度(見表2)，更適合作為HEF航煤環(huán)烷烴類的代表性組分。至此本文選擇正十二烷、正十四烷和十氫萘作為HEF航煤的代表性組分。而且文獻(xiàn)30–32對于正十二烷、正十四烷和十氫萘化學(xué)反應(yīng)機(jī)理均有一定的研究，這為后續(xù)發(fā)展HEF航煤燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

圖10 HEF航煤及其替代燃料模型層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

本文選擇密度、黏度、H/C、分子量、DCN、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹樾枰ヅ涞哪繕?biāo)特性參數(shù)，特性參數(shù)權(quán)重因子均為1。通過對目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化最終確定摩爾分?jǐn)?shù)65%正十二烷、10%正十四烷和25%十氫萘三組分HEF航煤替代燃料模型。

4.3 HEF航煤替代燃料模型合理性驗(yàn)證

通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量上述提出HEF航煤替代燃料模型的物理和燃燒化學(xué)特性參數(shù)，并與實(shí)際HEF航煤的測量結(jié)果進(jìn)行對比(如表1所示)。由表1對比結(jié)果可見，本文提出的替代燃料模型的密度、黏度、H/C、分子量以及DCN與實(shí)際HEF航煤非常相近。

進(jìn)一步對替代燃料模型與實(shí)際HEF航煤在燃燒特性方面的相似性進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同樣采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量HEF航煤替代燃料模型的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并與實(shí)際HEF航煤實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比。圖10給出了初始溫度420和460 K、壓力0.1 MPa、當(dāng)量比0.7–1.4范圍，實(shí)際HEF航煤及其替代燃料模型層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由圖10可見，當(dāng)量比0.7時(shí)替代燃料模型和實(shí)際燃油的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂衅?，這是由于極貧燃條件下，初始火焰球形度較差，從而引起較大的誤差。除此以外，在其余當(dāng)量比范圍兩者層流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叨纫恢?，說明HEF航煤替代燃料模型能夠準(zhǔn)確的描述實(shí)際HEF航煤的燃燒化學(xué)特性。

5 結(jié)論

本文采用Supertrapp程序精確計(jì)算混合物物理特性，增加層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛橹匾娜紵瘜W(xué)特性參數(shù)，并討論了混合物燃燒化學(xué)特性參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算方法，提出了一套更完整的、更精確的航煤替代燃料模型構(gòu)建理論方法。

采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首次測量了初始溫度420和460 K、壓力0.1 MPa、當(dāng)量比范圍0.7–1.4，實(shí)際HEF航煤以及代表性組分十氫萘的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，為本文發(fā)展和驗(yàn)證替代燃料模型提供了必要的實(shí)驗(yàn)支撐。

以HEF航煤為對象，采用本文航煤替代燃料模型構(gòu)建方法，提出了摩爾分?jǐn)?shù)65%正十二烷、10%正十四烷、25%十氫萘三組分HEF航煤替代燃料模型。充分的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了HEF航煤替代燃料模型和實(shí)際HEF航煤在物理特性和燃燒化學(xué)特性方面的相似性。

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Methodology for Formulating Aviation Kerosene Surrogate Fuels and the Surrogate Fuel Model for HEF Kerosene

ZHENG Dong1,2ZHONG Bei-Jing2,*YAO Tong3

(123)

The methodology for formulating aviation kerosene surrogate fuels was developed based on enriching combustion chemical property parameters, and presenting accurate computational method for mixture fuel property parameters. Moreover, under the conditions of initial pressure of 0.1 MPa, initial temperatures of 420 K and 460 K, the laminar flame speeds of the real HEF kerosene were measured using the constant-volume combustion bomb experiment. Depending on the methodology, the HEF kerosene surrogate fuel model, consisting of 65%-dodecane/10%-tetradecane/25% decalin (mole fraction), was presented. Sufficiently validated results indicated that in both physical and combustion chemical properties, the surrogate fuel models have high similarity with the real HEF kerosene. The present surrogate fuel model and experimental data provide a foundation for the development and validation of the chemical mechanism.

Aviation kerosene; Surrogate fuel; High energy density fuel; Laminar flame speed;Reaction mechanism

April 24, 2017;

May 25, 2017;

June 12, 2017.

Corresponding author. Email: zhongbj@tsinghua.edu.cn; Tel: +86-10-62772928.

10.3866/PKU.WHXB201706121

O643

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (91441113) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682017CX035)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91441113)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2682017CX035)資助