RP-3航空煤油熱物性分析

邴政(中國航油集團北方儲運有限公司，天津 300452)

RP-3航空煤油熱物性分析

邴政(中國航油集團北方儲運有限公司，天津 300452)

針對航空煤油等吸熱碳氫燃料的熱物性分析困難度，本文采用優(yōu)選替代燃料的方法，將我國自主研制生產(chǎn)的RP-3航空煤油作為研究對象，對其各項熱物性特征進行分析與總結(jié)，以此在掌握RP-3航空煤油主要特征的基礎(chǔ)上，驗證分析方法的可行性與可推廣性。

RP-3航空煤油；替代燃料；熱物性分析

對超燃沖壓發(fā)動機而言，其運行時采用的吸熱碳氫燃料一般是被作為一種冷卻劑使用的，用于吸收機體中的熱量，飛行馬赫數(shù)是影響其狀態(tài)與溫度的主要因素。相比于液態(tài)燃料，在持續(xù)加熱的狀態(tài)下，燃料存在不同的噴注過程、燃燒過程與熱物性特性。碳氫燃料由于成分十分復雜所以熱物理性質(zhì)分析存在很大的困難。以最常用的航空煤油為例，主要由數(shù)千種成分構(gòu)成，而且具體成分因廠家與年份的不同也有一定變化。因此，必須找尋便于分析和研究的替代燃料。

1 優(yōu)選替代燃料

在選擇替代燃料時，應(yīng)考慮需進行模擬分析的燃料性質(zhì)與特點，通常分成化學與物理替代兩類。其中，物理替代有著與真實燃料十分相近的物理特性，主要在物理過程模擬中使用；而化學替代則有與真實燃料相近的化學特性，主要在化學過程模擬中使用。對于替代燃料的準確性與有效性驗證可圍繞具體問題對應(yīng)的具體過程來實施，通常是以若干關(guān)鍵參數(shù)分析模擬來實現(xiàn)。比如，物理替代因只關(guān)注燃料的輸運特性，所以僅需對真實與替代燃料的物理參數(shù)進行匹配即可，包括臨界參數(shù)與揮發(fā)性等[1]。

針對替代燃料方面的分析研究，國外已開展一定嘗試。例如將正十二烷作為JP-7航空煤油的替代燃料對其熱傳導性與裂解特征進行分析。對我國的RP-3航空煤油而言，其主要由三大部分構(gòu)成，分別為飽和與不飽和碳氫化合物以及芳香族化合物。其中，具有一定代表性的主要成分包括芳烴、飽和直鏈烴與飽和環(huán)烷烴?？紤]到RP-3航空煤油的構(gòu)成與密度和法國煤油相近，所以可參照其模型對RP-3具體成分進行分析。其替代煤油的組分為正丙基苯、正十烷與三甲基環(huán)己烷。其數(shù)據(jù)模擬最終結(jié)果的驗證主要采用高溫條件下流量、臨界參數(shù)及低溫條件下密度。

2 煤油的熱力學特性

對于一個流體所具有的熱力學特性而言，一般能劃分為兩個部分，分別為相對于理想氣體在一定溫度條件下的理論值和流體的真實效應(yīng)。根據(jù)熱力學的基本關(guān)系，可得出熱力學特性（焓值）關(guān)系式：

式（1）中包含的ρ與T可采用ECS法則轉(zhuǎn)換為相對于理想氣體在一定溫度條件下的理論值，方程求解則可以使用BWR方程。運用相似的方法也能得出熵、聲速與比熱等熱力學函數(shù)。因γ的倒數(shù)與比熱呈反比關(guān)系，而且γ與所選分析基本結(jié)構(gòu)還有這較為密切的聯(lián)系，所以由不同結(jié)構(gòu)造成的比熱比波動會使其計算出現(xiàn)一定誤差。在常壓條件下，350K對應(yīng)的比熱計算結(jié)果為1.5kJ/（kg·K），這一數(shù)值略小于常規(guī)值，間接說明了所選替代煤油自身存在一定改進空間[2]。

3 煤油的輸運特性

將ECS理論作為依據(jù)，混合物與純物質(zhì)輸運系數(shù)均能采用假想的單組份流體進行近似。例如，依據(jù)法則可對粘性系數(shù)進行定義，表達式為：

式（5）中，M表示流體分子量。當單流體模型對輸運系數(shù)進行處理時，往往存在一定先天性缺陷，由于輸運特征涵蓋混合物部分特有的性質(zhì)，所以模型很難對此類性質(zhì)進行計算。Mx表示和混合物輸運系數(shù)相對應(yīng)的分子量，它需要借助特定法則進行計算。針對參考流體，它的粘性系數(shù)能劃分為三個主要部分，同時采取實驗的方法確定：

式（6）中，ηid是理想氣體對應(yīng)的粘性系數(shù)，一般只與溫度有關(guān)，不考慮密度；ηexc表示一階密度修正，不考慮臨界效應(yīng)；ηcrit表示臨界增益，通常只在靠近臨界點時才顯得較為重要，可采用Enskog進行計算。

隨溫度的不斷提高，煤油自身粘性快速下降，逐漸達到氣態(tài)，但超臨界流體卻有著和氣體較為相似的輸運特性[3]。雖然這一模型能很好的對粘性系數(shù)及溫度、壓力間的關(guān)系進行模擬與預測，但因單流體模型自身固有的局限性，會使煤油這種典型混合物在計算過程中出現(xiàn)很大偏差。比如，當溫度為293K時，標準大氣壓水平下的粘性系數(shù)計算結(jié)果等于7.8×10-4Pa·s，而在完全相同的條件下，RP-3煤油實際粘性系數(shù)等于1.0×10-3Pa·s（根據(jù)密度測量值與查表得出）。

4 結(jié)語

對于在超燃沖壓發(fā)動機領(lǐng)域較為常用的吸熱碳氫燃料，提出可在物性模擬過程中采用的替代燃料。將RP-3航空煤油作為主要研究對象，選擇當前公認最佳的替代模型，同時根據(jù)廣義層面上的對應(yīng)狀態(tài)法則針對替代燃料的各項物性實施模擬。通過計算與分析，本文所用替代沒有能很好的對煤油處于不同狀態(tài)下的物理特性進行描述，同時也能十分準確的對煤油流動參數(shù)與密度進行模擬。除此之外，還采用在超臨界態(tài)流量測定中使用的新方法。相比實驗結(jié)果，這種方法具有很高的預測準確性，然而在靠近臨界點時，依然會出現(xiàn)一定誤差，是未來亟需改進的重點，可通過對替代燃料的不斷優(yōu)化來實現(xiàn)。