航空发动机氮氧化物生成演化过程的实验和动力学机理研究

NOx, as the major pollutants in aircraft engines, have caused worldwide attention due to its negative impact on atmospheric environment as well as on health of human body. Reduction in NOx generated from the combustion is the core means to treat haze and improve the environment not only in China but also in Euramerican developed country. In this project, we mainly focus on the domestic aviation kerosene (RP-3), the combined methods of experimental measurements including shock tube, RCM and laser absorption diagnostics, ab-initio calculations and modeling will be used to systematically explore the kinetic mechanism of NOx formation and the chemical interaction between NOx and hydrocarbons at normal and extreme conditions. Based on the experimental data in the current project and literature ones, we will construct the high-fidelity kinetic mechanisms of fuel/NOx. Finally, we will reasonably develop a method to utilize the NOx for high combustion efficiency and scientifically propose a stratagem to reduce the NOx formation for clean combustion.

作为航空发动机的主要燃烧排放物，NOx所引起的环境问题以及对身体健康的危害已引起了全球范围内的广泛关注。治理雾霾改善大气环境的核心问题之一是“降氮”。无论是中国还是欧美发达国家，从国家层面上，NOx减排刻不容缓。本项目将以我国航空煤油（RP-3）为研究对象，采用全场、多参数、全时间尺度下燃烧基础表征参数测量、量子化学从头计算和数值模拟相结合的手段，系统研究航空发动机实际燃烧条件下（常规和极端）NOx生成动力学机理以及NOx与燃料间化学交互作用机制，构建燃料/NOx高保真动力学模型。在此基础上，提出适用于我国航空发动机NOx减排的科学思路和NOx高效利用的科学方法。

航空发动机（航发）燃烧过程所用氧化剂均为空气。理论上讲，反应系统中只要有氮气和氧气的存在，在燃烧温度条件下，必经由化学反应生成NOx。无论军用还是民用航发，在实际燃烧工况下，NOx的存有能力甚至有较强效果影响燃料的燃烧和排放特性。然而，国际上对NOx生成机理以及NOx和碳氢燃料交互作用的研究仍集中在C4以下小分子燃料，且各小组发展的NOx模型差异显著，对燃烧中关键物种生成路径描述不统一，各模型预测结果也不收敛。对我国国产航空煤油RP-3燃烧中NOx生成机理研究以及燃料与NOx交互作用机制研究鲜有报道。意味着，目前的研究现状还难以满足民用航发低污染物排放和军用航发紧凑型加力燃烧室优化设计要求，这给我国航发自主化设计能力提升带来困难和挑战。. 通过三年期项目实施，取得了若干创新性成果，发展了九类NOx动力学建模反应类理论，发现了HON反应新通道，构建了全场、全时域适用的NOx燃烧反应动力学高保真底层模型和航发燃料/NOx燃烧化学组合模型，解决了长期困扰学界的NO浓度中温骤降预测难题；建立了反射激波结合吸收光谱活性自由基诊断方法，实现了微纳米尺度下瞬态自由基浓度时程定量诊断，突破了国际在该领域的研究方法封锁；发现了着火诱导初期NO-NO2内转化过程中瞬态OH基富集行为，揭示了NOx诱发多阶段着火以及加速燃料消耗的动力学机制，提出了NOx化学协同点火强化方法，为TBCC加力燃烧室紧凑型结构优化提供新思路。Combust Flame编委、美国德州农工大学Petersen教授撰文评价，称本项目开发的模型是目前描述碳氢燃料/NOx交互作用的“最佳选择”；中航发624所认为，NOx点火促进效应是指导加力燃烧室结构进一步优化的新考虑，并将本项目的拓展性研究列为了研究院TBCC加力燃烧室研发的重要课题。