超临界压力下RP-3单一组分替代模型研究

齐建伟（辽宁师范大学附属中学，辽宁大连116000）

超临界压力下RP-3单一组分替代模型研究

齐建伟（辽宁师范大学附属中学，辽宁大连116000）

本文采用SUPERTRAPP软件对吸热型碳氢燃料RP-3的三种单一组分替代模型在超临界压力下不同工况的密度、黏度和定压比热容进行计算，并把计算结果与RP-3的物性测量实验数据对比验证不同单一组分替代模型对航空煤油RP-3在热物性上的预测性能。结果发现不同单一组分替代模型均能准确预测出RP-3在拟临界温度下的物性变化，从不同物性的预测性能综合评估认为正癸烷在对RP-3的物性预测上表现最优，满足工程的要求。

超临界；RP-3；替代模型

1　引言

随着近几年来高超声速飞行器的兴起，采用吸热性碳氢燃料作为冷源进行吸热的再生冷却技术逐渐在航空航天领域内得到重视。吸热性碳氢燃料是一种密度大、热值高、综合热沉降性高及安全性能高的液体燃料，但因为其结构成分的复杂，很难对航空燃料本身进行探索与深入研究。因此，寻找航空燃料的替代组分可以间接替代航空燃料，并排除其中对研究进行干扰或难以研究的组成成分。国内外研究者对替代模型进行了不少研究[1]。有些研究者对航空煤油Jet-A进行研究：Huber等人综合考虑密度、声音、黏度、热导率和蒸馏曲线等相关因素提出了Jet-A-4658的8组分、Jet-A-3638的七组分替代模型；Bruno[2]等人针对Jet-A，将少于3组分的简单替代模型进行了分类对比研究。

可以看出以上替代模型提出的出发点与优化标准大多不同，研究者多是针对所研究的具体问题提出的对应模型，相互之间可参考性较小，存在一定局限性：多组分替代模型组分复杂，在实际工程计算中，耗费的计算资源较多。在目前航空航天领域的工程计算中，有必要寻找一种最佳单一组分替代模型，以保证在较好的替代效果同时加快计算速度。

本文采用国际上公认的物性计算软件SUPERTRAPP，以国产航空煤油RP-3为研究对象，对三种单一组分替代模型的密度、黏度和比热容三种热物性进行计算，并结合RP-3的实验物性数据进行对比，评估各替代模型的预测性能并对其热物性开展相关分析，为再生冷却技术优化计算打下物性模型理论基础。

2　物性计算方法及替代模型

本研究是基于SUPERTRAPP软件，对RP-3的热物性替代燃料模型进行研究，SUPPERTRAPP可用于预测纯燃料或混合燃料的动力学特性和传输性质，采用广义对应态法则计算燃料组分的热力学特性和输运特性，包括密度，黏度，比热容等。

航空煤油RP-3是多种碳氢化合物的混合物，其具体的成分较为复杂，由表1可得RP-3主要可分为饱和烃，不饱和烃和芳香族化合物三种。有学者采用单一组分正癸烷作为RP-3的替代模型，因此本文把正癸烷作为研究对象之一。另外，一般认为航空煤油包含的平均碳原子个数为 10～16个，且WangTS[3]采用C12H24来代表RP-1煤油作为替代模型，故本文选择与正癸烷类似分子式的单一物质正十一烷和正十二烷作为研究对象，表2将本文的研究对象进行汇总如下所示，下文分析时以分子简式代表单组分模型。

3　替代燃料模型热物性计算分析

3.1密度

表1　RP-3成分组成分析

表2　单组分替代模型汇总

采用计算方法得到了航空煤油替代模型在不同压力下密度随温度的变化关系，从计算结果中看出不同的替代模型均可以表现RP-3密度随温度的变化，并且也都可以呈现出国产航空煤油RP-3密度在拟临界温度点出的陡降变化。

三种替代模型在低温区对密度的预测表现的一致，而不同点却在于拟临界温度点的位置。P=3MPa时，C10、C11均能较好地预测出拟临界温度的特性。C12的计算值与实验值偏差较大，过晚预测了拟临界温度的位置。不同替代模型在拟临界温度以上的高温区估测均有偏差，替代模型均高估了高温区的密度变化，且都随着压力的增大而变大。当P=4MPa、5MPa、6MPa下的变化与P=3MPa时类似。对比各个压力下的曲线，可以认为C11在预测密度上与航空燃料最为接近，表现最优，而C10与RP-3密度预测水平相差同样较小。

3.2黏度

采用计算方法得到了航空煤油替代模型在不同压力下黏度随温度的变化关系，从计算结果中看出，随着压力的增加，不同替代模型对于拟临界温度的预测能力均逐渐加强，对于低温区的预测略有升高，但变化不明显。在P=3MPa时，C11、C12对于拟临界点的位置预测较晚，而C10则与真实值相差不大。这可以用平均分子量来解释，C11、C12替代模型的分子量均大于C10替代模型的平均分子量，使得两类模型对RP-3的拟临界点位置的预测方向产生相反的结果。同样在低温区，C11、C12的黏度计算结果与实验结果相差较大，而C10与实验结果差异较小。对不同航空煤油替代模型对黏度的预测均满足工程的需要，但综合对比，由C10构成的单一组分替代模型对黏度的预测最为准确。

3.3最优单一组分替代模型

综合三种替代模型的密度、黏度及定压比热容的预测性能，C11的密度预测能力比C10、C12准确，但不同替代模型对密度的预测能力差别较小；C10的黏度预测能力比C11、C12更准确；C10对比C11、C12在定压比热容方面预测更为精确。综合以上评估，认为C10对航空煤油RP-3的热物性预测最准，能满足工程需要。

4　结论

本文采用SUPERTRAPP对国产航空煤油RP-3的三种单组分替代模型进行热物性计算，并对比实验物性数据评估不同单一组分替代模型的预测性能。其中得到的结论如下所示：

（1）采用SUPERTRAPP软件计算三种替代模型均能预测出热物性如密度、黏度和比热容的变化趋势。

（2）不同替代模型对航空煤油RP-3的定压比热容峰值预测、密度预测准确性有待加强，相对而言对粘度的预测更为精确。

（3）相比于C11、C12的单组分替代模型，C10模型在预测黏度上表现最优；C10替代模型结合广义对应态法则可较准确的预测RP-3的物性变化，满足工程要求。

[1]郑 东，于维铭，钟北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型[J].物理化学学报，2015（4）：636～642.

[2]Bruno T J,Smith B L.Evaluation of the physicochemical authenticity of aviation kerosene surrogate mixtures:Part 1 analysis of volatility with the advanced distillation.curve[J].Energy&Fuels,2010,24（8）:4266-4276.

[3]Wang T S.Thermophysics characterization of kerosene combustion [R].AIAA Paper 2000～2511,2000.

V312

A

2095-2066（2016）31-0248-02

2016-10-3

齐建伟（1999-），男，汉族，辽宁大连人，高中在读，研究方向是能源动力。