吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦反應路徑控制的機理研究

《吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦反應路徑控制的機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由周偉星擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：吸熱型碳氫燃料高溫裂解結焦反應路徑控制的機理研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：周偉星

項目摘要

吸熱型碳氫燃料高溫裂解吸熱的主動熱防護是高超聲速推進技術的重大關鍵技術之一。針對碳氫燃料高溫裂解吸熱易結焦而導致運用受到限制問題，在燃料中加入添加劑是裂解結焦抑制的重要途徑。而充分認識並有效控制添加劑在裂解結焦過程中關鍵反應路徑的作用機制是燃料得以有效運用必須解決的關鍵基礎問題。. 本項目擬採用同步輻射真空紫外線光電離質譜技術及高溫裂解結焦實驗相結合，探測不同添加劑在碳氫燃料高溫裂解條件下的結焦前軀體、中間體和裂解產物。並通過理論計算對比研究添加劑對高溫裂解結焦影響的關鍵路徑和控制機制，以及添加劑對單組分及複雜組分燃料裂解結焦抑制的協同作用。為性能優良的添加劑設計與研製及高性能碳氫燃料關鍵組分的篩選提供技術指導，是吸熱型碳氫燃料精確有效運用於發動機熱防護需要克服的重點，既具有基礎研究的挑戰性和難點，又具有重要的理論意義和潛在運用價值。

結題摘要

吸熱型碳氫燃料的高溫流動裂解換熱是超燃衝壓發動機主動熱防護技術的核心關鍵技術之一，而燃料在裂解過程中會產生額外的難溶焦體堵塞冷卻通道，從而導致發動機由於局部高溫而燒毀。燃料的結焦過程已經成為限制燃料使用的主要因素。在研究結焦過程中，燃料高溫裂解的反應路徑分析是一個重要的途徑，而對自由基及其不穩定中間體的識別和測量又是分析反應路徑的必不可少的關鍵組成部分。利用同步輻射真空紫外光電離-質譜技術（SVUV-PIMS）結合流動管反應器，研究吸熱型碳氫燃料的裂解機理，尤其是結焦前驅體多環芳烴的形成過程。基於實驗數據，發展了考慮壓力效應的正丁基苯裂解詳細反應動力學模型，並分析了帶有長烷基側鏈芳烴物質的特殊的多環芳烴的形成過程，即長烷基側鏈結構的高反應活性和較低的分解溫度區間，從而抑制了苄基的分解和高不飽和度C2-C4產物的生成。其次，利用改進的一維流動管反應器模型，實現了在常壓及高壓下不含惰性氣體稀釋的航空替代燃料在高熱流下的帶有詳細化學反應機理的計算，並將計算結果與實驗結果進行對比，取得了較高的精度。此外，還對原詳細反應動力學機理進行簡化，帶入Fluent進行二維數值計算，並將一維模型計算結果與二維Fluent結果對比，體現了一維計算模型的合理性，一維計算模型的建立使得大量的機理構建工作得以在實際工程計算中發揮作用。再次，對於結焦形成的機理方面，採用新的實驗裝置，有效地將加熱管熱解結焦和壁面金屬催化結焦複雜耦合過程中的熱解結焦單獨提取出來進行分析，並且通過分析發現，燃料通過化學熱裂解形成的結焦前驅體的遇冷凝結過程是焦體形成的一個重要的過程，而且凝結與否與結焦前驅體的結構和溫度有重要的關係。最後，結合上述的研究結果，進行不同濃度、不同負載率下的過渡金屬鈷氧化物負載納米顆粒作為添加劑，來研究混合燃料的換熱與結焦過程。研究發現在某一濃度和負載率範圍內，添加劑能夠有效地提高燃料的熱沉，但是結焦過程依舊存在並且有時也會堵塞納米顆粒催化劑的催化孔道，高溫下金屬催化結焦仍然占據很大的比例。