碳氫燃料熱裂解反應動力學模擬的理論研究

《碳氫燃料熱裂解反應動力學模擬的理論研究》是依託四川大學，由李娟琴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳氫燃料熱裂解反應動力學模擬的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李娟琴
• 依託單位：四川大學

項目摘要

碳氫燃料的熱裂解動力學模擬能為發動機的主動冷卻提供重要的基礎數據。構建碳氫燃料熱裂解詳細反應機理和實現動力學模擬，可獲得裂解熱沉、產物分布、積碳速度等重要參數，為發動機換熱設計提供重要依據。本項目研究內容主要有兩個部分：一是研究高碳氫燃料裂解反應的反應類型，構建典型碳氫燃料的熱裂解詳細反應機理；二是開展動力學模擬，將工程領域通常採用的巨觀動力學模擬與理論化學領域新發展的反應力場分子模擬進行對比研究，首次採用分子模擬方法來驗證巨觀詳細反應機理。研究工作結合熱、動力學參數的高精度量子化學計算、裂解反應詳細機理構建、巨觀動力學模擬和反應力場分子模擬，為工程換熱設計提供碳氫燃料熱裂解動力學模型。

結題摘要

碳氫燃料裂解機理的研究對於提高燃料的燃燒性能非常重要。我們開展了獨立的燃料裂解反應機理的研究，通過構建碳氫燃料裂解詳細反應機理實現動力學模擬，從而獲得相關的動力學參數，為發動機的換熱設計提供重要的理論依據。快速發展的反應力場分子模擬（蜜鍵拜ReaxFF）是一種全新的從微觀層面進行動力學研究的方法。採用ReaxFF方法可以描述眾多碳氫化合物的力場和棵霉夜，實現化學反應進程的動力學模擬。微觀反應力場分子模擬基於從頭算理論，結合鮑林鍵級鍵能關係得到半經驗勢，因而該方法的精確度達到了半經驗的水平，適合模擬高溫下的碳氫燃料構想勸辨裂解。我們採用反應力場分子模擬方法對某些碳氫燃料的裂解動力學進行了相關的理論模擬。首先，我們以正庚烷為研究對象，採用ReaxFF方法模擬了正庚烷的熱裂解反應。基於機理自動生成程式構建了正庚烷熱裂解的新機理包括物種數、反應數以及相關的熱力學參數和動力學參數。ReaxFF模擬的結果與實驗結果以及巨觀化學動力學模擬結旬乘想果相比較，一方面對實驗進行了詳細的理論解釋，另一方面將微觀模擬和巨觀結果進行了比較。同時也在一定程度上檢驗了本課題組自主研發的機理自動生成程式的可靠性和可拓展性。其次，我們採用分子模擬方法研究了不同結糠己戲構的燃料添加劑對正癸烷裂解過程的影響。研究了正癸烷在六種不同結構化學添加劑中的裂解動力學。模擬結果給出了正癸烷高溫裂解以及在不同添加劑下的主要反應路徑。採用動力學擬合得到的反應動力學參數與實驗結果吻合較好。結果表明基於反應力場的分子動力學模擬能夠為燃料添加劑的篩選起到一定的指導作用。 然後，我們妹匪殼基於ReaxFF反應力場分子模罪祖擬進行了高溫下甲苯燃燒的動力學的研究，討論不同的溫度、壓力和當量比對甲苯燃燒過程的影響。結果表明溫度的升高和壓力的增加都有利於甲苯的消耗，而當量比的增加則使得甲苯的消耗速率變慢。ReaxFF反應力場模擬了甲苯燃燒的表觀動力學性質，得到了與實驗相符的表觀動力學數據。 在基金委的支持下，我們在碳氫燃料裂解動力學方面發表了4篇相關SCI學術論文，參加了與燃燒反應相關的學術會議。關於論文的具體內容在研究成果部分將做詳細介紹。