航空燃料典型组分的积碳机理及其程序自动生成

Endothermic cracking of aviation hydrocarbon fuels provides a solution to decrease the heat loads of high-speed aircraft, where how to mitigate soot formation is crucial to apply this method. In this project, by investigating the pyrolysis mechanism of typical component of aviation fuels, we expect to guide the inhibition of soot formation. The outline of the research contents is listed as follows: construct the reaction network for the formation of soot precursors; compute the thermodynamic and kinetic parameters related to the soot formation based on quantum chemistry methods; based on the feasible reaction types, develop the program ReaxGen further to realize the automatic generation of complex soot mechanism; construct the detailed pyrolysis mechanism for the typical component of aviation fuels, including n-decane, methylcyclohexane, toluene and methylnaphthalene; analyze the cracking characteristics of the chain alkane, cycloalkane, monocyclic and bicyclic aromatic molecules with kinetic simulation, and then determine the effect of molecular structure to soot production. Through the systematic study composed of mechanism construction, quantum chemistry computation and program development, we aim to clarify the reaction characteristics and soot formation rules of aviation fuels, finally raise the research level on fuel chemistry in our country.

航空燃料的裂解吸热可以用来降低高速飞行器发动机的热负载，如何有效抑制积碳是航空燃料热裂解应用的关键。本项目通过研究典型燃料分子的裂解机理，为积碳抑制提供思路。研究内容包括：构建积碳前驱体形成的反应网络；利用量子化学方法，获得积碳前驱体形成机理的动力学参数以及物种热力学参数；在反应类型研究的基础上，进一步发展复杂机理生成软件ReaxGen，实现积碳复杂机理的自动生成；构建典型燃料成分正十烷、甲基环己烷、甲基苯和甲基萘的热裂解反应机理；通过动力学模拟，分析链烷烃、环烷烃、单环芳烃及双环芳烃分子的裂解特性，确定燃料结构对积碳生成的影响。本项目的研究目标是通过机理构建、量子化学计算和程序开发的协同研究，阐明燃料分子的反应特性和积碳规律，提升我国燃料反应动力学的研究水平。

本项目针对航空燃料机理研究中存在的问题，发展了一套适用于碳氢燃料宽工况裂解的核心机理，采用多种小分子烷烃、烯烃和炔烃的物种浓度实验验证了核心机理的合理性；同时改进了燃烧核心机理，补充和修正了C2H4+Ӧ反应、β-羟基乙基自由基的氧化反应(PĊ2H4OH+O2)、β-羟基丙基与氧气的加成反应、二次加氧通道等反应类型，解决了当前流行的燃烧核心机理不能准确预测乙烯低温燃烧特性的问题；进行了大分子碳氢燃料扩展机理反应类型的研究，获得了多环芳烃、环烷烃和烯烃反应中重要反应类型的热动力学参数和速率规则，填补了多环芳烃机理模型缺失精确动力学数据的空白；发展了机理自动生成程序ReaxGen，实现了多环烷烃的唯一性识别和反应位点的搜索，实现了积碳前驱体机理的自动生成；同时采用高精度的动力学数据更新了ReaxGen程序中的反应类型，添加了压力相关反应的动力学参数，并对低温燃烧反应类型进行了优化。通过以上工作扩展了ReaxGen程序的适用范围。以裂解和燃烧核心机理为基础，结合机理自动生成方法，构建了航空燃料典型组分正十烷、乙基环己烷、环己烯、十氢化萘和茚的机理，并开展激波管点火延迟实验以验证机理的合理性。通过机理动力学模拟和反应路径分析，阐明了链烷烃、烯烃、环烷烃和芳烃分子不同的反应特性和积碳规律。本项目构建的正十烷燃烧机理已用于发动机燃烧室的大涡数值模拟，获得了非稳态的燃烧流场信息，得到了较好的预测精度。发展的机理自动生成程序已被国内外20余家研究单位下载使用。本项目构建的核心机理、典型组分燃料机理模型将进一步用于燃料设计、发动机燃烧室的数值模拟，服务于发动机主动冷却技术的开发以及发动机降低污染物排放的需求。