利用大规模反应分子动力学模拟揭示航空发动机燃料燃烧的全景式产物演化及反应机理

Combustion kinetics and reaction mechanisms of jet fuels in combustor are fundamental for improved engine design and operation, but still difficult to be fully characterized experimentally, thus with limited knowledge. This project aims at deep understanding of detailed and overall reaction mechanisms of hydrocarbon fuels in jet engines by reactive molecular dynamics. To character the real fuel, large scale fuel models consisting of multi-component molecules with high carbon number and chemical structure diversity will be constructed. The combustion of the large scale fuel models with close composition of real fuel will be simulated directly with a new approach of GPU parallel computing of ReaxFF MD and combined with cheminformatics analysis for uncovering complex reaction events therein. The detailed reaction and kinetics in jet fuel combustion at wide ranged of temperature and pressure will be investigated. The underlying hierarchical reaction mechanisms for generation and consumption of combustion intermediates including radicals and their relationship with major combustion products in pyrolysis, rich fuel oxidation and lean fuel combustion will be revealed. The hierarchical reaction mechanisms should provides useful insights into the mechanism of real fuel combustion and should aid in the construction or optimization of reaction mechanism libraries, improved kinetic models and combustion efficiency and pollution control in fuel combustion.

针对航空煤油详细且全面的燃烧反应机理知识仍然受限、实验表征困难的现状，本项目拟面向真实的航空煤油在发动机内的燃烧过程，以深入认识液态碳氢燃料燃烧的详细、全面的化学反应机理为目标，构建具有高碳数、结构多样的大规模多分子混合体系模型，将航空煤油作为一个整体加以描述，采用申请者团队提出的GPU并行高性能计算与基于化学信息学分析揭示复杂反应相结合的ReaxFF MD模拟新方法，对大规模近真实燃料分子燃烧模型进行直接模拟，研究宽温度和压力范围航油燃烧反应动力学详细机理，揭示其相关的热解、部分氧化、充分燃烧条件下燃烧中间体(包括自由基)的形成、消耗与燃烧产物形成的全景式产物演化规律与多层次反应机理，从分子水平形成对航空煤油燃烧反应动力学机理更为全面的认识。为补充和优化航油燃烧机理库提供直接帮助，为机理简化提供坚实的理论依据，为进一步完善反应动力学机理模型、提高发动机燃烧效率和减少排放等提供理论支持。

针对航空煤油组成复杂、其详细且全面的燃烧反应机理知识仍然受限、实验表征困难的现状，本项目提出了通过构建高碳数、结构多样的大规模多组分燃油模型，利用反应分子动力学模拟研究燃油热解和氧化反应的新思路。项目研究了RP-1的热解和氧化过程及生物油氧化过程，取得重要进展。1) 以RP-1的24组分模型作为基准体系，模拟考察了RP-1的3组分替代燃料模型的热解反应性。发现它们的热解反应物和乙烯演化的整体趋势相似，但燃料分子消耗的质量分数最多可相差20%，原因是3组分模型中热稳定性好的环烃占比大。利用自主研发的、独特的VARxMD揭示了RP-1复杂多支链结构、双环结构的热解反应路径以及两模型之间的差异，可为优化和补充现有反应机理库提供线索。研究结果提示以RP-1多组分模型的热解模拟为基准、ReaxFF MD有潜力作为快速评估RP-1替代燃料模型化学反应性的新方法。可用于国产航油等燃料替代模型化学反应性评估，为精细优化替代燃料模型的组成和结构提供理论支持。2)利用RP-1多组分模型的长时间氧化模拟，系统考察了温度(T=1500 – 4000 K)、计量比(PHI=0.5, 1, 2, 5, and 10)、密度(d=0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 g/cm3)对形成碳烟纳米颗粒的影响，首次观察到RP-1氧化过程中从燃料分子脱氢、形成多环分子、多环分子连接成核、核的长大到形成碳烟纳米颗粒的完整反应过程机理认识。揭示了烃类侧链对成环、环增长及环结构从5元或7元环转变为6元环均可能发挥作用。所获得的碳烟形成路径与已有HACA机理有所不同，可能是碳烟形成的新路径。3) 项目利用生物油多组分模型模拟首次较为系统地观察了多组分生物油体系高温氧化条件下的反应行为。揭示了生物油氧化条件下5个代表性组分的初始反应网络。说明ReaxFF MD有潜力描述生物油的氧化反应行为。