摘要
面对航空发动机高推重比、低排放的研发需求，构建可靠准确的表征燃料模型是进行航空发动机缸内湍流燃烧过程数值模拟的关键。一方面可以通过化学反应动力学机理探究燃料的着火、燃烧特性，明晰燃料氧化过程的基元反应路径；另一方面还可以将反应机理与计算流体力学耦合，揭示燃料在发动机燃烧室内的雾化蒸发、混合气着火、火焰传播及污染排放等过程规律。 本文基于航空煤油理化性质参数，运用遗传优化算法提出与验证了两组航空煤油表征燃料模型。通过层级构建法发展了多组分表征燃料化学反应动力学详细机理，并对该模型进行了简化。依据详细机理开展了反应动力学分析，立足于简化机理对燃用不同燃料的发动机燃烧过程进行了数值模拟。主要研究结果如下： 首先，基于物性参数匹配法，利用遗传算法进行了RP-3航空煤油表征燃料模型的组分占比计算及验证。通过对RP-3航空煤油物性测试，获得密度、运动粘度、低热值、氢碳比以及摩尔质量等参数，并据此得到其分子式为C10.62H21.61。综合考虑航空煤油的烃族组成及机理完善程度，选择正十二烷、正丁基环己烷、正丁基苯作为表征组分。经过遗传算法优化，提出了由27.9mol%正十二烷、63.0mol%正丁基环己烷、9.1mol%正丁基苯以及由58.0mol%正十二烷、30.0mol%正丁基环己烷、12.0mol%正丁基苯构成的两组RP-3航空煤油表征燃料模型。随后对其进行了不同压力、温度下的物性参数对比验证。 其次，依据层级构建法，以简化后的各表征组分反应动力学机理为基础，构建航空煤油的反应动力学详细与简化机理。分别对正十二烷、正丁基环己烷及正丁基苯的详细机理进行多级简化，简化后的机理包含203种组分，1200步反应、139种组分，667步反应以及194种组分、1325步反应。以CRECK机理为核心，使用层级构建法耦合简化机理形成了航空煤油表征燃料详细机理，其包含336种组分，2492步反应。为检验该模型的准确性，对比了不同工况下的着火延迟期、层流燃烧速度与氧化产物摩尔分数的试验值与预测值。使用多级简化策略得到的简化机理包含92种组分，332步反应，并对其着火延迟期进行了验证。 再次，基于航空煤油表征燃料详细机理进行了不同工况下的敏感性分析、组分浓度变化分析以及组分间交互作用路径分析。反应R9(H2O2(+M)=2OH(+M))是中低温工况下最重要的着火促进反应，而反应O2+R1H=R2OH+B1O则是高温工况下最重要的着火促进反应。在不同初始压力与初始当量比条件下，R9始终是最重要的着火促进反应，R21:2HO2=O2+H2O2始终是最重要的着火抑制反应。初始压力的增大使反应体系内最终的O2含量降低，CO2含量增多，而初始当量比的增大对体系内O2含量与CO2含量的影响则与之相反。并且温度的变化改变了反应路径，而压力与当量比仅会对反应速率产生影响。 最后，立足于航空煤油表征燃料简化机理，对压燃式发动机燃用柴油与航空煤油的燃烧过程进行了仿真分析。基于一台高压共轨柴油机进行燃烧性能试验，验证了航空煤油简化机理耦合计算流体力学进行数值模拟的适用性。通过评价混合气形成参数以及燃烧特性参数进行了发动机工作过程分析。由于航空煤油的运动粘度低，表面张力小，相同时刻下较柴油液滴破碎速率快，油雾会在喷嘴处卷吸更多的空气，令喷雾锥角增大，贯穿距降低。另外热值的差别使发动机达到相同标定负荷时所消耗的航空煤油质量降低，但较高的低热值使得两者达到CA10、CA50的时刻相近。尽管航空煤油恶化了发动机燃烧过程但可通过优化燃烧室结构、改善喷油策略等措施改善其动力性能。
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