航空燃料燃烧及其化学动力学

《航空燃料燃烧及其化学动力学》阐述了燃烧化学动力学相关基础知识及常用燃烧仿真和实验检测等手段，并围绕航空燃料燃烧机理的构建、优化及应用展开分析，对航空燃料的着火、燃烧过程及其燃烧性能进行了系统研究。主要内容包括航空燃料的发展、燃烧基础理论、燃烧诊断技术等概况，燃料燃烧反应机理的构建、验证及优化思想和相关燃烧动力学基础，热动力学参数的高精度量化计算过程，以及主流的机理简化和分析方法；构建了国产RP-3航空煤油替代燃料燃烧和热裂解机理，开展了系统的数值模拟和化学动力学分析，及其在燃料设计和燃烧性能评估中的应用；探究了小分子碳氢燃料在航空煤油着火中的热效应与化学作用机制，提出了用于燃料燃烧性能综合评估的方法和定量化表征手段等。本书可供能源动力、航空航天、环境化工等领域的科研人员参考，也可供相关专业高年级本科生和研究生使用。

1.从微观到宏观，从理论到应用
2.专业性强，研究角度新

航空发动机是航空工业的皇冠，直接反映了国家整体科技水平和工业能力。只有掌握先进的航空发动机技术，才能使我国在航空航天领域中具备强大的竞争力和优势。而强大的空天动力的源头仍将在未来相当长时期内继续依赖航空燃料的燃烧，因此，掌握航空燃料燃烧的相关基础理论和实验技术，明确航空发动机燃烧过程的基本规律和物理化学机制，是我国在发动机设计领域迅速崛起的必要条件之一。
化学反应动力学是燃料燃烧过程分析的重要工具，且燃烧数值仿真是航空发动机内流动燃烧重现和预测的关键技术；人们在燃烧微观反应路程、复杂反应机理、燃烧实验测量和湍流燃烧仿真等方面取得了显著成果。随着燃料燃烧过程中化学反应和湍流相互作用的深入研究，以及计算流体力学和燃烧反应动力学的共同发展，将持续对新燃料设计、燃烧数值模拟、发动机内流道流场描述及结构设计产生深远影响和积极作用。因此，航空燃料燃烧反应动力学研究不仅是能源及动力领域中科学发展所需，更是国防安全保障和国民经济发展的迫切需求。
《航空燃料燃烧及其化学动力学》围绕航空燃料的燃烧性能及其化学动力学进行了系统分析及相应的数值模拟和实验研究。本书主要内容包括航空燃料发展、燃烧性能和燃烧动力学研究等概况介绍，如燃料燃烧反应机理构建、验证及优化思想，热动力学参数的高精度量化计算方法，机理简化和分析方法；并以国产RP-3航空煤油为对象，发展了其替代燃料燃烧和热裂解机理，且基于系统的数值模拟和化学动力学分析，详细介绍了其在燃料设计和燃烧性能评估中的应用，探究了小分子碳氢燃料在航空煤油着火中的热作用与化学作用机制，提出综合的评估方法实现其对RP-3航空煤油燃烧性能影响的定量化表征等。
本书是以航空燃料燃烧及其化学动力学的前沿性、综合性、适用性为原则，根据笔者多年从事航空燃料燃烧及其反应动力学以及航空发动机气路监测的研究成果，并参考该领域最新的研究进展和相关文献撰写而成的。本书得到了国家自然科学基金项目（51975539、72001192）、航空科学基金项目（2018ZD55008）、河南省科技攻关计划项目（212102210275、212102210342）、河南省自然科学基金（182300410186）、河南省高等学校重点研究项目（20B590005，21B590002）等课题的支持，在此表示衷心的感谢！
在航空燃料燃烧及其化学动力学研究和本书的撰写过程中，得到了四川大学李象远教授、王繁教授和朱权教授以及中国矿业大学王全德副研究员、西南交通大学甯红波副教授、贵州理工学院郭俊江副教授的热心指导与帮助，在此向他们表示衷心的感谢！本书还借鉴或引用了四川大学燃烧动力学中心等单位研究人员的相关成果和经验，在此对原作者表示由衷的敬意和感谢！
由于本书的研究领域涉及多个学科交叉，前沿发展较快，限于笔者的学识水平，书中疏漏及不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正！
　　
著者　　

第1章　航空燃料及其燃烧研究概述 1
1.1　航空燃料概述 2
1.2　航空燃料发展 3
1.2.1　国外航空燃料 3
1.2.2　国产航空燃料 4
1.2.3　航空替代燃料 5
1.3　航空燃料燃烧技术现状 7
1.3.1　燃烧诊断技术 7
1.3.2　燃烧数值模拟技术 9
参考文献 11

第2章　航空燃料燃烧性能监测与分析 13
2.1　航空燃料燃烧过程 14
2.1.1　液体燃料的喷射与雾化 14
2.1.2　燃料的蒸发与燃烧 18
2.2　航空燃料燃烧特性 22
2.2.1　燃料的着火 22
2.2.2　燃料的稳定燃烧 24
2.2.3　燃料的熄火 25
2.3　燃烧性能的影响因素 26
2.3.1　压力的影响 26
2.3.2　温度的影响 26
2.3.3　可燃混合气特性的影响 26
2.3.4　掺混物的影响 27
2.4　航空燃料燃烧污染物性能 27
2.4.1　燃料燃烧污染物特性 27
2.4.2　燃料燃烧污染物形成机制 28
2.5　燃料燃烧性能监测 31
2.5.1　点火延迟时间 31
2.5.2　层流火焰传播速度 33
2.5.3　组分浓度 35
2.5.4　燃烧中间产物的探测 36
2.5.5　燃烧碳烟颗粒污染物监测 37
参考文献 43

第3章　燃料化学反应动力学研究概述 46
3.1　研究背景 47
3.2　碳氢燃料化学反应动力学机理的构建 51
3.3　碳氢燃料化学动力学机理的系统简化与分析 56
参考文献 61

第4章　燃烧反应动力学基本理论和方法 67
4.1　概述 68
4.2　电子结构理论 69
4.2.1　Hartree-Fock方法 69
4.2.2　组态相互作用理论 70
4.2.3　耦合簇理论 71
4.2.4　密度泛函理论 73
4.3　反应动力学理论 75
4.3.1　传统过渡态理论 75
4.3.2　变分过渡态理论 76
4.3.3　单分子反应RRKM理论 77
4.3.4　主方程 80
4.4　计算实例 82
4.4.1　甲苯关键氢提取反应的研究现状 82
4.4.2　计算方法 85
4.4.3　结果讨论及验证 87
4.4.4　动力学模型的验证 94
4.5　小结 97
参考文献 98

第5章　燃料燃烧化学反应动力学机理 103
5.1　反应类规则 104
5.1.1　高温反应 104
5.1.2　低温反应 108
5.2　化学动力学机理 112
5.2.1　化学动力学机理概述 112
5.2.2　化学动力学机理的构建 114
5.2.3　化学动力学机理的优化 117
5.3　化学动力学机理的验证 118
5.3.1　点火延迟时间 120
5.3.2　层流火焰传播速度 121
5.3.3　组分浓度 122
5.4　燃料基础燃烧数值模拟 123
5.4.1　封闭均相反应器模型 123
5.4.2　平推流反应器 124
5.4.3　激波管 124
5.4.4　火焰传播速度 126
5.4.5　全混流搅拌反应器 128
参考文献 129

第6章　燃料化学反应机理简化和分析方法 132
6.1　概述 133
6.2　简化方法介绍 136
6.2.1　主要框架简化方法介绍 136
6.2.2　时间尺度分析方法介绍 141
6.2.3　机理简化方法的发展 142
6.2.4　化学动力学机理的系统简化 145
6.3　碳氢燃料化学动力学机理的自动简化 147
6.3.1　机理自动简化程序ReaxRed 1.0 149
6.3.2　ReaxRed 2.0的开发 155
6.3.3　ReaxRed 2.0x自动简化程序的介绍 157
6.4　机理分析方法的发展 158
6.4.1　主要机理分析方法 158
6.4.2　元素路径分析 160
6.4.3　产率分析 161
参考文献 162

第7章　航空燃料替代模型化学动力学机理的构建 166
7.1　国产RP-3航空煤油替代燃料的构建 167
7.1.1　国产RP-3航空煤油替代燃料的选择 167
7.1.2　RP-3航空煤油替代模型的构建及验证 170
7.1.3　详细机理的简化及分析 173
7.2　国产RP-3航空煤油替代模型热裂解机理的构建 182
7.2.1　航空燃料热裂解机理研究背景 182
7.2.2　航空燃料热裂解机理的构建和验证 182
7.2.3　RP-3航空煤油热裂解机理的系统简化 186
参考文献 188

第8章　RP-3航空煤油化学动力学机理的应用 190
8.1　RP-3航空煤油燃烧数值仿真及性能分析 191
8.1.1　燃烧特性数值仿真 191
8.1.2　敏感度分析 192
8.2　小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧性能作用分析 194
8.2.1　小分子燃料的选择 194
8.2.2　不同小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用规律 197
8.2.3　反应路径分析 206
8.3　掺混燃料对主燃料燃烧性能影响的定量化表征研究 212
8.3.1　燃料设计 212
8.3.2　掺混燃料作用的定量化表征 218
8.4　某航空燃料热裂解机理的系统简化及应用 222
8.4.1　某航空燃料热裂解机理的系统简化 222
8.4.2　某航空燃料T油品的简化模型验证 222
8.4.3　某航空燃料T油品的简化模型在CFD中的初步应用 226
参考文献 228