《吸熱型碳氫燃料裂解引發劑的分子設計及作用機制》是依託西北大學，由管玉雷擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：吸熱型碳氫燃料裂解引發劑的分子設計及作用機制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：管玉雷
- 依託單位：西北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
吸熱型碳氫燃料是高超音速推進燃料套用的新概念，決定其工作成效的關鍵是化學裂解吸熱能力。為了提高裂解反應速率，抑制結焦生炭行為，本項目以“不同烴類裂解反應歷程可控”為研究主線，結合理論計算、實驗手段與分子模擬技術，基於分子碎片法進行裂解引發劑的分子設計與性能調控研究。從深入認識不同烴類裂解反應機理入手，構建自由基轉化歷程與化學吸熱效應關在線上制，為裂解引發劑的分子設計提供依據；模擬計算特徵基團與烴類分子間的定向作用，探索結構與性質間的關係，構建裂解引發劑的官能團碎片庫，通過發展多模式混合最佳化算法實現特徵基團的識別與組裝；模擬冷卻通道實際工況進行引發劑理化性質與引發裂解活性的驗證評價，並解析引發劑對不同烴類裂解的促進機制，建立機理型反應動力學模型。本項目的研究有助於實現吸熱型碳氫燃料裂解反應歷程有效調控，吸熱能力顯著增強的技術創新，從而為高超音速熱防護系統設計提供一定的實踐基礎。
結題摘要
針對吸熱型碳氫燃料（用於高超音速飛行器冷卻）裂解反應要求溫度高、易結焦生炭的問題，本項目以不同烴類裂解反應歷程可控為研究主線進行裂解引發劑的分子設計與性能調控研究。通過理論計算結合實驗手段進行了正庚烷和甲基環己烷裂解反應機理的研究，深入認識不同烴類裂解的轉化歷程和反應特性，確定出自由基生成是裂解鏈反應中的速率決定步驟，烷基自由基C–C鍵斷裂生成烯烴是整個裂解鏈反應中的主要吸熱反應，燃料化學熱沉的主要源泉。與碳原子數相同的正烷烴相比，環烷烴裂解生成的烯烴分子數少，對燃料的化學熱沉貢獻較小。環烷烴裂解產物中的二烯烴與烯烴間的Diels-Alder反應活化能較低，在裂解反應體系中容易進行，然而Diels-Alder反應是個放熱量較大的反應，會使燃料化學熱沉顯著減少。相比正烷烴和環烷烴，異構烷烴起裂溫度低，裂解反應速率常數大。通過理論計算模擬特徵基團與烴類分子間的定向作用，發現相比硝基，烷基和甲氧基等自由基易於與烴類發生奪氫反應，促進鏈反應進行，結合連線基團構建出裂解引發劑的官能團碎片庫，並通過鄰接矩陣、鍵合參數、原子特徵向量和鍵級進行結構表征，並採用向量矩陣進行數學描述使其功能化。開發出的多模式混合最佳化算法涉及遺傳算法和模擬退火思想，採用自適應多重退火交叉和變異策略，增加種群多樣性，避免了種群早熟和局部最優陷阱，以鍵解離能為約束條件實現了特徵基團的識別與組裝。通過引發裂解活性的驗證評價，發現硝基烷烴類引發劑能夠促進碳氫燃料裂解，建立的機理型反應動力學模型有助於實現吸熱型碳氫燃料裂解反應歷程有效調控，吸熱能力顯著增強的技術創新，但距離工程套用還有較長的距離，尚需加深認識多場耦合對燃料熱沉的影響。
