正癸烷熱裂解-引發(fā)裂解模型及其化學(xué)熱沉特性研究.pdf

1、吸熱型碳?xì)淙剂霞扔形锢頍岢?，又有額外化學(xué)熱沉，已被用來解決燃燒室高溫帶來的熱防護(hù)問題，成為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。碳?xì)淙剂衔鼰崃呀饣瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生將使燃料組分不斷變化，影響燃料注入到燃燒室的狀態(tài)及再生主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的熱管理性能與設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)組分變化對(duì)燃料的裂解吸熱性能至關(guān)重要。
　　本文針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)燃料反應(yīng)模型的需求和熱沉利用問題，以再生冷卻通道內(nèi)燃料的流動(dòng)裂解為研究對(duì)象，開展了正癸烷熱裂解和引發(fā)裂

2、解的實(shí)驗(yàn)及模型研究、并分析了燃料化學(xué)熱沉影響因素，主要研究工作如下：
　　首先，利用同步輻射光電離質(zhì)譜-分子束采樣技術(shù)（Synchrotron VUV Photoionization Mass Spectrometry,SVUV-PIMS）結(jié)合流動(dòng)管裂解實(shí)驗(yàn)裝置研究了正癸烷、硝基甲烷以及正癸烷/硝基甲烷二元混合物在4、20和101kPa的流動(dòng)裂解，分析得到32種組分的摩爾分?jǐn)?shù)分布，其中不僅包含穩(wěn)定產(chǎn)物，還探測(cè)到重要的不穩(wěn)定中間體和

3、自由基，為揭示正癸烷和硝基甲烷裂解過程，以及這兩種燃料的相互作用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了包含164種組分和726步反應(yīng)的正癸烷熱裂解詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和包含266種組分、1648步反應(yīng)正癸烷引發(fā)裂解詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，模型很好地反映了各穩(wěn)定組分及重要中間體的生成和消耗過程。通過生成速率分析和敏感性分析方法分析對(duì)正癸烷和主要組分起重要作用的自由基和反應(yīng)，得到了正癸烷裂解反應(yīng)路徑，揭示了引發(fā)劑對(duì)正癸烷裂解和產(chǎn)物生成的影響機(jī)制。

4、r>　　其次，鑒于燃料在冷卻通道內(nèi)通常處于超臨界狀態(tài)，而燃料在高壓和低壓、低濃度下的裂解產(chǎn)物有所不同，主要體現(xiàn)在前者有大量烷烴生成，因此利用電加熱流動(dòng)反應(yīng)器對(duì)超臨界壓力下的正癸烷熱裂解和正癸烷引發(fā)裂解進(jìn)行了研究。正癸烷超臨界裂解產(chǎn)物主要為正烷烴和1-烯烴，烷烴的總摩爾分?jǐn)?shù)比例約為1/3，少量硝基甲烷的添加使正癸烷的初始裂解溫度明顯降低，且引發(fā)作用在正癸烷裂解率低于40％較為明顯。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果、低壓裂解模型及最新理論成果建立了包含271種

5、組分和1863步反應(yīng)的正癸烷/硝基甲烷超臨界熱裂解/引發(fā)裂解詳細(xì)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬證明此模型具有良好的模擬精度。通過對(duì)正癸烷及主要產(chǎn)物進(jìn)行生成速率分析得到了超臨界壓力下正癸烷消耗及主要產(chǎn)物的生成消耗路徑，特別分析了C3以上烷烴的生成過程，并分析得到了硝基甲烷對(duì)正癸烷消耗和產(chǎn)物分布影響及其作用范圍的原因，為燃料的工程應(yīng)用提供了理論和模型基礎(chǔ)。
　　再次，燃料化學(xué)熱沉受其裂解過程的控制，通過發(fā)展的超

6、臨界裂解動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到了正癸烷裂解化學(xué)熱沉變化規(guī)律，并分析得到了各產(chǎn)物對(duì)化學(xué)熱沉的貢獻(xiàn)與產(chǎn)物選擇性變化對(duì)化學(xué)熱沉的影響。結(jié)果表明裂解率體現(xiàn)化學(xué)熱沉的利用程度，而產(chǎn)物分布決定了化學(xué)熱沉的利用水平。為分析反應(yīng)對(duì)燃料裂解和化學(xué)熱沉的影響，利用路徑通量分析法篩選正癸烷/硝基甲烷裂解重要的組分和反應(yīng)，得到了包含116種組分和679步反應(yīng)的簡(jiǎn)化模型，并對(duì)正癸烷裂解率和化學(xué)熱沉進(jìn)行了敏感性分析，分析了模型中各基元反應(yīng)對(duì)正癸烷消耗及其化學(xué)熱沉的影響

7、及產(chǎn)生影響的原因。
　　最后，由于自由基的反應(yīng)過程會(huì)受工作參數(shù)變化的影響，從而間接影響化學(xué)熱沉的利用，因此對(duì)正癸烷超臨界熱裂解及引發(fā)裂解的化學(xué)熱沉特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了燃料質(zhì)量流量及反應(yīng)壓力對(duì)正癸烷熱裂解化學(xué)熱沉的影響和引發(fā)劑溶度及反應(yīng)壓力對(duì)正癸烷引發(fā)裂解化學(xué)熱沉的影響。利用模型對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性，結(jié)合模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到了工作參數(shù)對(duì)燃料化學(xué)熱沉的影響機(jī)制，為燃料化學(xué)熱沉的合理利用奠定了理