在航空发动机冷却系统中，使用航空燃料作为冷源降低涡轮冷却空气温度(cooled cooling air，CCA)，是提高空气冷却品质的有效途径^[1]。航空煤油通常被作为冷却剂去吸收冷却空气中的热量，降低冷却空气自身温度，减少冷却空气用量。在煤油与空气在换热器中进行对流换热的过程中，随着压力和温度的改变，燃料热物性将发生很大的改变，特别是在临界点附近。所以研究航空煤油的热物性随温度和压力的变化规律对CCA冷却技术至关重要。但由于煤油成分非常复杂，以国产航空煤油为例，已测得成分多达100多种，这对于煤油物性的分析造成很大困难，这时就需要开发合理可靠的替代燃料模型来对煤油的热物性进行研究。

替代燃料成份的选择取决于研究目的与燃料本身的物质组成，一般按照研究目的不同，分为物理替代和化学替代2种。物理替代燃料具有和实际燃料相似的物理特性，例如密度、比热、声速、黏性和导热系数等，用来计算燃料的换热及流动过程；化学替代燃料具有和实际燃料相近的化学组分及相近的点火延迟、绝热火焰温度、层流火焰速度和化学反应速率等化学特性，可以用来模拟燃料的点火、燃烧以及裂解等化学过程。

目前针对航空煤油RP-3的替代组分主要有以下几种：范学军3组分a^[2]与b^[3]，程迪5组分^[4]，钟凤泉10组分^[5]，张若凌3组分^[6]，郑东4组分^[7]，比较有代表性的替代模型还有如HF-1 4组分^[8]和JP-8 11组分模型^[9]。首先，各模型提出的应用目的差别很大，范学军等^[2]利用3组分a模型预测超临界流体通过超音速喷灌流量；Zhong等^[5]利用10组分模型预测换热过程中油温的变化。其次，不同模型的提出方法也不尽相同，例如：程迪等^[4]利用多目标优化方法得出的5组分模型；Zhang等^[6]依据上百种组分参与的计算结果所提出的3组分模型；此外，有些模型是专门针对化学替代燃料所提出的，例如，郑东4组分^[7]模型用来预测RP-3航空煤油着火延迟时间和火焰传播速度。同时各模型针对的工况千差万别，相互之间的关联也较少，特别是在物性的变化的研究中差别较大，这样模型的可应用范围有一定的局限性。

本文首先对比了各替代模型在压力为3 MPa下的比热的预测结果，参考各替代模型的组分特性，选取特征组分，并对其热物性、密度、比热、黏度和热导率进行研究，基于航空煤油RP-3的热物性替代燃料模型和测定成分数据，提出了合理的4组分替代模型并与实验结果进行比较。

1 不同替代模型研究 1.1 不同替代模型研究

本文的研究对象为国产RP-3航空煤油，其主要特性如表 1所示。它是单一直馏馏分或直馏组分与精制组分混合组成，以直链烷烃和环烷烃为主，二者共占70%~90%，碳数分布从C10~C16，密度为0.775~0.830 g/cm³。图 1为本文所测得的航空煤油RP-3的色谱-质谱的分析结果，其可测成分组分高达60余种。表 2为整理后的RP-3的主要成分的分类结果。

可以看出RP-3主要可分为饱和烃、不饱和烃与芳烃类，其中饱和烃类特别是直链烷烃占了近80%。本文基于Supertrapp ®软件进行二次开发^[10]，研究RP-3的热物性替代燃料模型。Supertrapp ®可用于预测纯燃料或混合燃料的热力学特性和传输性质，采用广义对应状态法则和Peng-Robinson方程，可计算出燃料组分的相均衡性质和传输性质，如燃料的密度、压缩因子、焓值、熵值、等压比热C_p、比热容比C_p/C_v、声速、焦耳-汤姆逊系数(Joule-Thomson coefficient)及黏度和热导率。

表 3为现有的针对RP-3的替代模型和2种具有代表性的吸热型碳氢燃料替代模型的组分及其含量。从表 3可以看出，不同模型组分的差距较大，同时，各组分的含量也相差很大。因为研究目的的不同，各文献的研究中所提出的针对RP-3的替代模型所关注的侧重就会不同，所以产生出了各种各样的不同组分、不同含量的替代模型。例如，针对航空煤油燃烧特性的研究就要求对其化学反应特性符合良好。考虑到计算成本的限制，在保证结果正确的基础上，需要尽可能地使得模型组分含量最小化和化学反应过程最优化、最简洁；针对传热计算和低温热沉实验的研究，则较少涉及化学反应的过程，更加关注的是燃料本身物性的变化特点，对比热变化的预测的正确与否是计算和实验成功的决定因素，特别是在超临界传热的研究中，超临界压力和温度则成为替代模型中重点关注的要素；有些针对燃油受热后喷射的研究中，燃油密度和黏度的变化，将会对喷射过程的计算产生很大影响。

通过对不同替代模型的分析与归类可以看出，替代模型基本可以分为3类：直链烷烃、环烷烃与苯类物质。同时可以看出，直链烷烃在各组分中都占有很大的比重，而苯类则相对较少。与RP-3的液相组成对比，替代模型中没有涉及不饱和烃类的物质，其他组成基本与液相组成中各类物质所占的比重相吻合。

图 2为压力在3 MPa下采用不同的替代模型所计算出的比热与实验值对比的结果。压力3 MPa处于超临界压力的范围，为发动机冷却系统中比较有代表性的工作压力，比热在超临界温度下会产生较大得变化，所以选择3 MPa下燃料比热的变化来对比各替代模型。

首先可以看出，每一种替代模型的分布规律基本相同，都会产生一个峰值点，为3 MPa下的各模型的拟临界温度的位置，但各峰值点的位置不相同，与实验值的位置存在一定的差别，最大的差值超过了50 K；此外，各模型中峰值点的大小也不相同，除HF-14组分替代模型外，其余模型均低于实验值，差距最大的与实验值相差2 kJ/(kg·K)。

总之，现有的替代模型，在3 MPa下的计算结果，其拟临界温度位置的预估与比热峰值点的预测与实验值均有一定差距。因此热物性替代模型的研究至关重要，是航空煤油传热过程准确预测与传热系统合理设计的决定性因素。

2 4组分替代模型研究

如表 4所示，研究参考了现有的物性替代模型，综合RP-3液相组分所提出的4组分替代模型，并对各组分的物性进行了单独的研究与分析。选取的4种组分，包括了直链烷烃(正癸烷、正十一烷)，环烷烃(1-甲基2-戊基环己烷)，与苯类物质(1，3，5三甲基苯)。图 3为压力在3 MPa下的各单一组分的物性分布结果，因为实验结果中没有涉及关于热导率的研究，所以为了方便与实验相对照，只对比热、密度与黏度的分布进行研究。

首先，对于比热来说，苯类物质的整体分布趋势较其他物质，其值水平较低，特别是在拟临界温度点之后；直链烷烃中碳含量高的拟临界温度较高，但峰值点要小于碳含量低的直链烷烃；环烷烃类物质在临界点的峰值远超其他组分，所以可以说一种替代模型中环烷烃类物质含量的多少决定了其在特定压力下，拟临界温度处峰值点的大小；同时，可以看到苯类与环烷烃类物质只有在拟临界温度附近才会发生比较大的变化，而直链烷烃中比热的变化则相对平缓一些，在拟临界点附近几十K的位置就开始了变化；其次，在密度变化的研究中，随着温度的升高，密度逐渐减小，在拟临界点位置急剧降低，呈现出超临界特性。同时，与比热容结果类似，不同组分中拟临界温度的不同决定了密度变化的特性，同样相比于直链烷烃，环烷烃与苯类在拟临界点位置密度变化要更为剧烈一些；再次，黏度的分布中，在拟临界点位置没有明显的变化，黏度随着温度的升高逐渐减小到很小的水平，其中环烷烃减小的幅度与速率最快，其次是直链烷烃，最后是苯类；最后，从热导率的分布可以看出，各物质在拟临界温度前，热导率随着温度的升高近似地线性降低，在拟临界点位置处与密度变化的趋势类似，会有一个剧烈下降的过程，之后会缓慢的上升。拟临界温度之前，环烷烃的热导率降速最慢，直链烷烃与苯类的下降速度基本相同，拟临界温度后各类物质的热导率增大的速度基本相同，环烷烃的导热率明显大于其他2种物质。在主动冷却的系统中，需要燃料具备高密度、高热值、高热稳定性的特点。在燃料的成分中，直链烷烃的热稳定性最差，受热过程中，连接键易断裂，容易发生裂解反应，但其结焦特性较好，不易结焦，所以提高燃料中直链烷烃的含量有利于改善燃料的结焦特性。虽然环烷烃的密度较高，同时，可以提高燃料的热值，但在受热条件下环烷烃与苯类则更易产生出大量的结焦物，阻碍换热。所以在燃料的研究中不同组分的配比还需要针对不同的用途来配置。

3 实验验证分析

结合4种组分物性分布的特点，与实验数据进行对比分析，最后优化得出4种组分的配比，得到航空煤油RP-3 4组分替代模型。如图 4所示，在压力为3和4 MPa下，对4组分物性替代模型的计算结果与实验结果^{[11, 13-14]}进行了对比分析。首先，可以看出，在比热的结果中，计算值与实验值吻合良好，不同压力下的拟临界温度位置基本相同。在600 K以前，计算值基本呈线性变化，在420 K以前，实验值与计算值变化趋势基本一致，而在420 K以后，实验值比热随温度的变化速率增大，逐渐高于物性替代模型的结果，这主要是由于航空煤油受热后在423 K之后会发生自氧化反应^[12]，此反应是吸热反应，这样实验值将会略高于计算值，另外在拟临界点之后实验值与计算值差距越来越大主要是由于在高温下实验中已经发生了裂解反应，此时反应过程的结焦量要远大于自氧化反应，同时，结焦的存在会使得换热恶化，降低实验中所测得的热沉值，从而使C_p减小。密度和黏度的分布中，因为拟临界温度预测的准确，总体上计算结果与实验结果在3和4 MPa压力下，随温度变化趋势基本一致。

4 结论

本文以航空煤油RP-3为研究对象，将已有RP-3的替代模型的计算结果与实验值进行对比分析，结果表明目前的替代模型多是基于化学反应替代模型所提出，对于物性的计算，无论是模型之间还是与实验值之间均存在一定的差别，主要集中在对于拟临界点的对应温度与相应值的预测上。本文基于现有的替代模型的经验，综合所测得的RP-3液相组分数据，选取了3类具有代表性的组分，即直链烷烃、环烷烃与苯类物质。在超临界压力下，对3类单独组分的热物性进行了对比分析，分析了各类组分的特性对物性替代模型的选择所造成的影响。最后，提出了RP-3 4组分物性替代模型(正癸烷35%、正十一烷20%、1，3，5三甲基苯5%、1-甲基2-戊基环己烷40%)，并与实验测得的热物性结果进行了对比验证，表明4组分替代模型可以很好地预测在3 MPa与4 MPa下，比热容、密度和黏度随温度的变化，特别是对于拟临界温度的预测。