低压环境下RP-3航空煤油自燃特性研究

开展了低压环境下RP-3航空煤油的自燃特性研究,测试了101 kPa、80 kPa、60 kPa、40 kPa、20 kPa五种压力环境下航空煤油自燃点及着火延迟时间数据。结果表明,随着环境压力降低,自燃点升高,并基于谢苗诺夫热自燃理论,建立了耦合压力参数的自燃点预测模型。分析了环境压力对着火延迟时间的影响机制,建立了不同环境压力下的着火延迟时间预测模型。分析了GB/T 5332—2007标准在低压环境下测试存在的问题,并提出了相关改进方法。

RP-3航空煤油/O_(2)预混火焰不稳定性研究

为获得RP-3航空煤油不稳定燃烧特性,采用定容燃烧实验装置开展初始压力0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa,初始温度420 K、450 K、480 K,当量比1.0~1.7工况下RP 3航空煤油/O_(2)预混火焰层流燃烧特性的实验研究。结果表明:随着初始压力和当量比增加,火焰锋面明显由光滑变为褶皱,内部出现胞状结构,火焰趋于不稳定。通过分析过渡加速起始半径发现,随着初始温度、初始压力和当量比增加,过渡加速起始半径减小,预混火焰的不稳定现象提前。另外,计算扰动增长率并分析其对火焰稳定性的影响发现,质热扩散作用对火焰稳定性的影响占据主导地位,流体动力学作用其次。进一步研究发现,质热扩散作用主要取决于分子扩散项,随着当量比增加,其值由负向正变化,证明分子扩散作用对预混火焰不稳定影响逐渐增强。

高温高压环境下RP-3航空煤油单液滴的加热与蒸发特性研究

RP-3航空煤油是当前国内最常用的商用喷气燃料,煤油液滴在航空发动机燃烧室中的蒸发直接影响燃料的雾化效果、空燃混合气的形成和燃烧质量。本文以单个RP-3航空煤油液滴为研究对象,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、甲苯作为替代燃料,提出了一个考虑自然对流效应的高温高压环境下多组分液滴蒸发模型。利用自主搭建的试验装置得到了环境压力为1MPa、环境温度为473~673K下RP-3煤油单液滴在蒸发过程中的液滴直径变化。模型预测结果与试验结果的对比验证了模型的准确性。通过模型预测了不同环境参数下三组分替代物液滴直径、内部温度分布、各组分质量分数分布和液滴寿命等参数的瞬态变化,定量分析了不同高温条件下环境压力对单液滴蒸发特性的影响。结果表明,液相内部的传热传质会影响多组分液滴的蒸发速率,且液相扩散阻力造成了液相内部组分质量分数与温度空间分布的不均匀性。环境压力对RP-3煤油液滴蒸发寿命的影响随环境温度的变化而变化。当环境温度低于正十二烷的临界温度(658.25K)时,液滴寿命与环境压力的关系不是单调的,液滴寿命随环境压力的增加先增后减;而当环境温度超过658.25K时,液滴寿命随环境压力的升高而单调减小。这是因为在高温高压环境中,环境压力的升高能显著增大自然对流传热传质强度,而自然对流超过一定强度时,能明显促进液滴蒸发。上述研究有利于认识液滴内部组分扩散过程,从源头上为未来高性能低污染发动机的优化设计提供依据与参考。

气态/超临界态RP-3航空煤油喷嘴内部流动可视化研究

为研究气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动特性,自主设计了模拟喷嘴内部收缩通道的透明试验件,通过阴影法对气态/超临界态RP-3在喷嘴内部的流动过程开展可视化研究,并采用一维流动分析方法对观测结果进行了分析。试验首次获得气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动结构可视化图像,图像透明区域的形状随着燃油在收缩通道中膨胀而引起的密度变化而改变。结果表明,喷射压力和喷射温度对燃油在喷嘴内部流动特性有显著影响,燃油密度在不同喷射压力和喷射温度工况下沿轴向及径向的变化趋势存在明显差异,因而在可视化图像上展现出不同大小或形状的透明区域。轴向上,燃油密度变化在喷口处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低、喷射压力的升高而增大。径向上,受温度边界层的影响,燃油密度变化在喷嘴壁面处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低而减小;近临界喷射温度下,亚临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈均匀状,超临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈收缩状。

基于化学杂化和官能团相似耦合方法的RP-3航空煤油反应动力学简化模型构建

真实航空燃料通常包含几十至上百种组分,直接构建其化学反应动力学模型十分困难。本文利用官能团相似法(SCFG),结合实测RP-3航空煤油组分比例,提出了RP-3四组分模型替代物。利用流动反应器,获得了温度为550~1150K,压力为0.1 MPa下RP-3热解数据,基于化学杂化方法(Hybrid Chemistry),构建了以真实RP-3为单一原始组分的航空煤油化学反应动力学模型(XJTURP3-2021),模型得到宏观点火延迟、层流火焰速度以及微观组分浓度系统验证。基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)和全局敏感性分析(FSSA)对模型进行简化,获得含41种组分、212个基元反应的RP-3简化模型(XJTURP3r-2021)。与详细模型和实验数据对比发现,XJTURP3r-2021能较好地复现热力边界对RP-3基础燃烧特征影响规律,为解决CFD仿真对反应源项初始组分数量约束和计算精度固有矛盾提供新思路。

低水油比航空煤油RP-3水蒸气重整制氢实验研究

本文以碳氢燃料航空煤油高效制氢为目的,进行了微通道常压重整实验,研究了反应温度和水油比等反应条件对RP-3蒸汽重整的影响,重点考察了产气率、气体产物分布等特征。实验结果表明,反应温度和水油比的增加均提高了重整反应的产气率,有利于H_(2)选择性的增加。随着反应进行,碳氢产物的选择性降低,其中烯烃成为主要碳氢产物,更高的水油比具有更低的烯烷比。含水量的提高增加了H_(2)收率,800℃时水油比3相较于1和2分别增大了152.3%和134.6%;同时降低了反应产生的积炭,较好的抑制高温结焦行为。在反应温度800℃、水油比为3:1时H_(2)选择性最高达到了57.83%,并达到了34.7%的氢气收率,在该重整条件下制氢效果最佳。

3号喷气燃料储运过程中的质量管理

3号喷气燃料作为喷气式飞机的燃料,国家标准对质量指标要求很高。燃料从企业生产到飞机使用,中间要经过储运与运输环节,但燃料储运过程中难免会对油品造成污染,进而影响使用。因此,文中着重介绍了3号喷气燃料的常用储运方法,分析了影响油品质量的主要污染因素,包括水污染、固体杂质、微生物和混合油等,最后有针对性地提出了保证油品质量安全的控制措施,旨在对3号喷气燃料及整个航空系统的安全维护起到一定的参考作用。

RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟

通过对RP-3航空煤油成分的分析,以及对8组替代模型的对比实验,选取了73.0%(质量分数)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基环己烷,12.3%正丙基苯作为RP-3航空煤油的替代模型.使用本课题组自主研发的机理自动生成程序Reax Gen,构建了RP-3替代燃料的高温燃烧详细机理,用该机理模拟了激波管点火延时,并与实验数据进行比较.用物质产率分析和近似轨迹优化算法(ATOA)简化方法简化了详细机理.最后对燃烧机理在不同化学计量比及压力条件下的点火延时做了敏感度分析,考察了燃烧机理在不同化学计量比下关键反应的异同.结果表明,该替代模型的燃烧机理能很好地描述RP-3煤油的高温点火特性.

RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型

本文提出了40%(摩尔分数,下同)正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通过实验充分验证了替代燃料模型与实际RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.采用对冲火焰实验台架,测量了RP-3航空煤油以及四组分替代燃料的层流火焰传播速度.对比结果表明本文提出的替代燃料能够准确描述实际RP-3航空煤油的燃烧速率.进一步发展了包含168组分、1089反应的半详细反应动力学模型,验证结果表明本文机理能够准确预测RP-3航空煤油着火延迟时间和火焰传播速度.

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。

液滴初始温度对RP-3航空煤油超临界蒸发特性的影响

以超临界环境中RP-3航空煤油的悬停液滴为研究对象,实验研究了其在超临界温度下的蒸发特性受液滴初始温度的影响.通过分析不同初始温度下液滴的无量纲直径的平方、瞬态蒸发常数、液滴寿命和热膨胀率等参数的变化规律后发现,较高初始温度的液滴主要通过缩短初始加热时间来提高蒸发效率,当液滴初始温度从293.8,K升高至373.1,K时,3种不同环境压力下的液滴蒸发时间分别降低了31.55%,、32.25%,和34.73%,.此外,还发现液滴的初始温度越高,其出现超临界散射光斑时的液滴直径越大,出现时间越早.

采用双毛细管等流量法测量航空煤油RP-3的动力黏度

为实现超临界压力下航空煤油RP-3的动力黏度测量,在原双毛细管黏度计对比计算法基础上,采用等流量法并引入离心力修正系数对测试段毛细管压降进行修正,测量压力可达10MPa,测量温度范围提高至306.6~673.4K。等流量法根据上下游毛细管质量流量相等,通过测试流体在上下游毛细管中的压降关系及下游测试段毛细管热膨胀系数推算出该流体动力黏度。该方法简便可靠,在所测温度范围内的相对标准不确定度为1.16%~2.92%。通过纯物质十二烷及质量比为1∶1的正辛烷正庚烷二元混合物对等流量法进行标定,试验结果与文献值的相对偏差在±2.18%以内,相对偏差绝对平均值小于0.74%。在压力为3、4、5 MPa,温度为306.6~673.5K的条件下,采用该方法测量了航空煤油RP-3的动力黏度。该方法的应用可为进一步提高超临界航空煤油动力黏度的测量温度范围创造条件。

RP-3航空煤油不同替代模型的空化流动特性

为研究RP-3航空煤油空化流动特性,采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空煤油的物理替代模型并给出其主要物性参数,对收缩扩张流道内航空煤油替代模型、正十二烷(C12H26)和水体的空化流动进行了数值计算研究,计算时考虑了饱和蒸汽压修正及航空煤油物性参数随流场温度变化。结果表明:由45%正十二烷、25%正十烷、5%辛烷、5%甲基环己烷和20%甲苯(摩尔比)组成的替代模型能够较好拟合RP-3的物质属性,可用来替代RP-3进行空化流动计算。常温下航空煤油的初生空化数小于水体,相同空化数下(σ=1.5),水体的空穴长度约为航空煤油的1.4倍,航空煤油的空化强度更弱,液汽交界面较模糊。随着温度的升高,航空煤油空化热力学效应增强,但其在煤油泵工作温度区域内空化热力学效应不显著,在煤油泵空化性能预测时可以忽略煤油空化热力学效应的影响。

不锈钢表面氧化对RP-3航空煤油热氧化结焦的影响

将未经氧化及在高温加热炉中进行预氧化的同种不锈钢薄片浸泡于600mLRP-3航空煤油中,在5MPa压力下将RP-3航空煤油升温至400℃,尔后空冷至常温,利用差重法测量不锈钢薄片表面结焦量。实验研究了静态RP-3航空煤油在不锈钢挂片表面的热氧化结焦情况,分析了材料表面氧化层对煤油热氧化结焦的抑制作用;研究表明,表面氧化处理对不锈钢表面结焦有抑制作用,并且抑制作用随着材料表面氧化程度的加深而加强。

RP-3航空煤油及其替代物液滴低压着火特性

使用飞滴法对低压环境下RP-3航空煤油以及其二元替代物(体积分数80%的正癸烷和20%的1,2,4-三甲基苯)液滴的着火特性进行研究.液滴通过储油罐以及高温控压炉内的气压差推进并由平口针头产生,液滴在炉内自发着火并由高速相机记录其着火过程.实验结果表明,随着环境压力的降低,液滴的着火延迟时间呈指数型增加,而环境温度的增加会拓展RP-3煤油液滴的可燃压力极限,并缩短液滴的着火延迟时间,本文通过拟合获得液滴的着火延迟时间与压力及温度的关系式.液滴着火后,火焰增长率随着环境压力的降低而降低,火焰形态由半包火焰向尾部火焰转变.通过对比1100K环境下RP-3及二组分替代物液滴的着火过程,可发现两者的着火延迟时间随压力发展的趋势接近,但替代物由于缺乏大分子组分而更易着火,所以此二元替代物无法准确地预测RP-3航空煤油的着火过程.

一种RP-3航空煤油的三组分替代燃料简化机理构建与验证

对RP-3航空煤油三组分替代燃料(质量分数分别为73%的正十二烷、14.7%的1,3,5-三甲基环己烷和12.3%的正丙基苯)半详细化学反应动力学模型进行简化和验证,旨在获得可应用于工程计算且精度合理的三组分替代燃料简化机理。三组分替代燃料半详细化学反应动力学模型包含有257组分和874步基元反应。第一步采用直接关系图法(Directed relation graph,DRG)构建了109组分423步基元反应;第二步是在第一步的结果上采用基于误差传播的DRG方法 (Directed relation graph basedon error propagation,DRGEP)和计算奇异摄动法(Computational singular perturbation,CSP),构建了84组分271步基元反应;最后采用路径分析法在常压高温条件下分析其燃烧路径,对比详细机理和第二步的简化机理,去除不重要的反应路径(在本文工况中化学反应速率很小的基元反应)或者补入被前两步简化方法删减错的重要路径。最终获得的适合常压高温燃烧的三组分替代燃料简化机理为59组分和158步基元反应。结合RP-3煤油点火延迟时间和层流火焰速度等试验数据对三组分替代燃料简化机理进行了验证,结果表明,本文获得的三组分替代燃料简化机理数值计算结果与试验数据较吻合。最后,为了验证三组分替代燃料简化机理工程实用性,以本生灯预混燃烧火焰为物理模型,利用三组分替代燃料简化机理对以航空煤油为燃料的本生灯预混预蒸发燃烧进行了数值模拟,计算结果表明,该简化机理数值计算结果与试验数据吻合,且计算时间能在工程应用可接受范围内,因此说明本文获得简化机理组分和反应步数合理,计算精度较为准确。

强点火条件下RP-3航空煤油燃爆特性实验研究

为进一步探究影响RP-3航空煤油燃爆特性参数的因素,在内径为200mm、高度为5 400mm的立式激波管中,采用强点火方式,测定了其在不同浓度下的临界起爆能以及不同起爆能量、浓度当量比、喷雾压力下RP-3航空煤油的爆速和爆压。实验结果表明:航空煤油的临界起爆能随浓度当量比的增加先急剧降低,达到最小值后又缓慢上升,基本呈"L"形变化;在喷雾压力为0.20~0.60MPa、同一浓度条件下,RP-3航空煤油的爆速、爆压随喷雾压力的变化曲线呈倒"U"形;随着起爆能量升高,爆速、爆压均呈直线上升趋势,并且当起爆能量小于1.68MJ/m^2时,煤油未达到直接爆轰状态;燃料的爆速、爆压随浓度当量比的增加先上升后下降,其变化趋势也基本呈倒"U"形。

RP-3航空煤油替代燃料简化-优化反应动力学建模

针对传统化学反应机理简化方法无法兼顾精度和计算量的问题,提出了耦合化学反应机理简化和优化方法(CROM).应用CROM成功实现了对RP-3航空煤油3组分替代燃料详细化学反应机理的简化和优化,得到包含47组分、94反应的优化机理.采用优化机理,数值模拟了RP-3航空煤油在激波管和对冲火焰装置中的燃烧过程,并将模拟结果与文献实验值和文献计算值进行对比验证.结果表明,该优化机理能够准确预测RP-3航空煤油的点火延迟时间和火焰传播速度,且比文献的化学反应机理规模更小、计算效率更高,具有较高的工程应用价值.

小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用的数值研究

为研究小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧的影响,选择合理的RP-3航空煤油替代燃料详细燃烧模型开展工作,该模型能够精确预测RP-3航空煤油和小分子燃料的燃烧特性。以六种重要的小分子燃料H2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6和C3H8分别与RP-3航空煤油按1:5的比例(摩尔分数)掺混形成的六种混合燃料(Blended Fuel)为研究对象。在当量比为1.0,压力分别为0.1 MPa和1 MPa下系统模拟了RP-3航空煤油及六种混合燃料在高温下的燃烧特性,分析了各种混合燃料的自点火、燃尽时间、绝热火焰温度、熄火温度、组分浓度变化,并结合ROP(Rate of Production)分析方法,分析了小分子燃料对OH自由基生成速率的影响。结果表明,C2H4将RP-3航空煤油的点火延迟时间缩短了近4.6%;C3H6则将RP-3航空煤油的点火延迟时间推后了8.4%;C2H4和H2对RP-3航空煤油的快速点火和稳定燃烧有着积极的作用,其中C2H4的作用最为突出。

RP-3航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH3,CH2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。