RP‑3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法技术

本发明专利技术公开了RP‑3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，属航空推进技术领域。本发明专利技术采用了稳态近似、部分平衡、敏感性分析和路径分析等化学反应机理简化方法，从RP‑3航空煤油替代燃料的选择及其详细化学反应机理出发，给出了构建简化化学反应机理的高效计算方法，构建了RP‑3航空煤油替代燃料的简化的化学反应模型。本发明专利技术所构建的RP‑3航空煤油替代燃料的简化反应机理计算效率高，结果准确，可以直接用于燃烧流场的数值模拟中，为高超声速推进系统的设计与分析提供了有效的技术支持。

【技术实现步骤摘要】
RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法
本专利技术涉及航空推进
，尤其涉及RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法。
技术介绍
超燃冲压发动机技术作为航空航天技术的结合点，涉及到多门学科，是多项前沿技术的高度综合。出于对反应速率、热值、冷却能力的考虑，碳氢燃料，尤其是复杂碳氢燃料，将用于在马赫数4～8条件下运行的发动机中。碳氢燃料在超燃冲压发动机燃烧室内的混合、点火与燃烧过程，包含了剧烈的激波间断、多组元快速化学反应等一系列复杂流动现象，是一个复杂的湍流混合过程，且强烈受控于燃料的化学动力学特性。航空煤油作为目前广泛使用的碳氢燃料，由一系列碳氢化合物混合构成，考虑到燃烧数值模拟的规模和效率，通常采用单一组分或多组分燃料作为航空煤油的替代燃料。对此，国内外学者对航空煤油提出了多种替代燃料及其简化反应模型。但是，在目前的计算机技术发展水平下，现有技术中提出的航空煤油的详细机理太过庞大，组元和反应数多达几百上千种，很难直接应用于实际超燃冲压发动机燃烧室内的计算流体力学数值模拟。煤油作为超燃冲压发动机的一种可选燃料，是多种碳氢化合物的混合物，组成因制取方法、产地等因素的不同而不同，因此针对国产RP-3航空煤油化学反应机理的研究就显得尤为重要，但它的简化化学反应动力学机理的研究却较少。现有技术中主要包括以下几种RP-3替代燃料的化学反应机理：(1)79％正癸烷、13％三甲基环己烷、8％乙基苯作为RP-3的替代燃料，简化机理包含22组元18步总包反应，该反应模型中所包含的化学反应路径过少，不能准确表达出燃料燃烧过程中的复杂机制；(2)73％正十二烷、1，3，5-三甲基环己烷，12.3％正丙基苯的替代模型，包括138个物种、530个反应，该反应模型所包含的组元和反应数过多，在数值模拟中需要消耗过量的计算资源；(3)正癸烷燃料，燃料单一，不能准确反映出航空煤油的物理属性，以此作为替代燃料的化学反应模型不能准确表达航空煤油中慢速反应成分的化学特性。综上，现有技术中，缺乏一种能够准确反应RP-3航空煤油特性，并且详细机理相对简化的化学反应模型，能够满足计算效率高，结果准确的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，所构建的RP-3航空煤油替代燃料的简化化学反应模型,准确描述RP-3航空煤油的基础上,建立26组元89化学反应机理的化学反应模型,计算效率高，结果准确。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，包括:S1、构建RP-3航空煤油替代燃料的化学反应机理；S2、确定化学反应机理中的关键组元和关键反应，使用简化方法，将化学反应机理简化,得到简化化学反应模型；S3、采用实验及数值模拟验证简化化学反应模型,将简化化学反应模型和化学反应机理进行比对,确定简化过程中产生的误差以及简化的可信度；使用计算流体力学模拟替代燃料在实际燃烧场流中的表现,判断真实燃效环境下替代燃料的可信度。进一步的,S1包括:S11、根据替代燃料，从直链烃、环烷烃、芳香烃的反应路径出发，获得C4级别的生成物，对生成物采用C0-C4反应模型，构建化学反应机理；S12、利用热力学数据库和理论计算,计算化学反应机理中化学反应组元的热力学参数，与化学反应机理的试验数据进行比对,比如点火延迟,火焰速度，校验化学反应机理的正确性。进一步的，S2包括：S21、采用理论分析和反应路径分析方法，确定替代燃料的关键反应路径，关键反应路径无法继续简化；S22、采用敏感性分析法、反应路径分析方法、稳态近似方法和部分平衡方法，将化学反应机理在反应过程及产物中摩尔分数小于0.01％的组分和敏感性低于1％的组分及其参与的化学反应去除，将化学反应机理中相似的化学反应合并为总包反应；S23、将总包反应的反应速率调整至理论范围之内，得到简化化学反应模型。进一步的,替代燃料包括:正十二烷、三甲基环己烷和正丙基苯的混合物。进一步的,关键反应包括:正十二烷简化反应、正丙基苯简化反应、三甲基环己烷简化反应；其中，正十二烷简化反应包括：C12H26+H＝>C12H25+H2C12H26+O＝>C12H25+OHC12H26+OH＝>C12H25+H2OC12H26＝>6C2H4+2HC12H26＝>5C2H4+2CH3C12H25＝>6C2H4+HC12H25+H＝>5C2H4+2CH3C12H25+O2＝>6C2H4+HO2C12H25+CO＝>6C2H4+CHO；正丙基苯简化反应包括：C9H12+H＝>C7H7+2CH3C9H12+O2＝>C7H7+C2H4+HO2C9H12+CO＝>C7H7+C2H4+CHOC9H12＝>C6H5+C2H4+CH3C7H7+O＝>2C2H2+C2H3+COC7H7+O＝>C6H5+HCHOC6H5+2O＝C2H2+C2H3+2CO；三甲基环己烷简化反应包括：C9H18+O2＝>C9H17+HO2C9H18+H＝>C9H17+H2C9H18+O＝>C9H17+OHC9H18+OH＝>C9H17+H2OC9H17+H＝>3C2H4+C2H3+CH3C9H17+2H＝>2C2H4+C2H2+3CH3C9H18+O2＝>C9H17+HO2。进一步的,简化化学反应模型，包括26组元89反应机理。本专利技术的有益效果是:本专利技术采用正十二烷、三甲基环己烷和正丙基苯的混合物作为替代燃料,替代燃料的化学反应机理简化后得到简化化学反应模型,简化化学反应为了实用超然冲压发动机燃烧室,进行了燃烧流场数值模拟,并与试验结果进行了比对,结果表明,简化化学反应模型在保证了燃料点火、燃烧特性的同时，降低了反应组分与反应数目，因此有效减少了CFD(ComputationalFluidDynamics计算流体动力学)耦合求解过程中的求解变量和求解微分方程个数，极大地提高了计算效率，可实际应用于燃烧流场的数值模拟中，为高超声速推进系统的设计与分析提供了有效的技术支持。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为实施例中正十二烷反应路径分析,其中φ＝1，P＝1atm；图2为实施例中正丙基苯反应路径分析,其中φ＝1，P＝1atm；图3为实施例中三甲基环己烷反应路径分析,其中φ＝1，P＝1atm；图4为不同初始温度下关键反应的温度敏感性系数；图5为P＝2atm,Φ＝1.0工况下RP-3航空煤油替代燃料的点火延迟时间；图6为P＝2atm,Φ＝2.0工况下RP-3航空煤油替代燃料的点火延迟时间；图7为P＝4atm,Φ＝1.0工况下RP-3航空煤油替代燃料的点火延迟时间；图8为不同工况下RP-3航空煤油替代燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
RP‑3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于,包括:S1、构建RP‑3航空煤油替代燃料的化学反应机理；S2、确定所述化学反应机理中的关键组元和关键反应，使用简化方法，将所述化学反应机理简化,得到简化化学反应模型；S3、采用实验及数值模拟验证所述简化化学反应模型。

【技术特征摘要】
1.RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于,包括:S1、构建RP-3航空煤油替代燃料的化学反应机理；S2、确定所述化学反应机理中的关键组元和关键反应，使用简化方法，将所述化学反应机理简化,得到简化化学反应模型；S3、采用实验及数值模拟验证所述简化化学反应模型。2.根据权利要求1所述的RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于,所述S1包括:S11、根据所述替代燃料，从直链烃、环烷烃、芳香烃的反应路径出发，获得C4级别的生成物，对所述生成物采用C0-C4反应模型，构建所述化学反应机理；S12、计算所述化学反应机理中化学反应组元的热力学参数，与所述化学反应机理的试验数据进行比对，校验所述化学反应机理的正确性。3.根据权利要求1所述的RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于，所述S2包括：S21、采用理论分析和反应路径分析方法，确定所述替代燃料的关键反应路径，所述关键反应路径无法继续简化；S22、采用敏感性分析法、反应路径分析方法、稳态近似方法和部分平衡方法，将所述化学反应机理在反应过程及产物中摩尔分数小于0.01％的组分和敏感性低于1％的组分及其参与的化学反应去除，将所述化学反应机理中相似的化学反应合并为总包反应；S23、将所述总包反应的反应速率调整至理论范围之内，得到所述简化化学反应模型。4.根据权利要求1所述的RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于,所述替代燃料包括:正十二烷、三甲基环己烷和正丙基苯的混合物。5.根据权利要求4所述的RP-3航空煤油替代燃料简化反应模型计算方法，其特征在于,所述关键反应包括:正十二烷简化反应、正丙基苯简化反应、三甲基环己烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天鹏，樊孝峰，李佳伟，王江峰，赵法明，李龙飞，王丁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32