RP-3替代燃料自點火燃燒機理構建及動力學模擬

徐佳琪 郭俊江 劉愛科 王健禮 談寧馨,* 李象遠(四川大學化學學院,成都60064; 四川大學化學工程學院,成都60065)

RP-3替代燃料自點火燃燒機理構建及動力學模擬

徐佳琪1郭俊江2劉愛科2王健禮1談寧馨2,*李象遠2
(1四川大學化學學院,成都610064;2四川大學化學工程學院,成都610065)

通過對RP-3航空煤油成分的分析,以及對8組替代模型的對比實驗,選取了73.0%(質量分數)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基環己烷,12.3%正丙基苯作為RP-3航空煤油的替代模型.使用本課題組自主研發的機理自動生成程序ReaxGen,構建了RP-3替代燃料的高溫燃燒詳細機理,用該機理模擬了激波管點火延時,并與實驗數據進行比較.用物質產率分析和近似軌跡優化算法(ATOA)簡化方法簡化了詳細機理.最后對燃燒機理在不同化學計量比及壓力條件下的點火延時做了敏感度分析,考察了燃燒機理在不同化學計量比下關鍵反應的異同.結果表明,該替代模型的燃燒機理能很好地描述RP-3煤油的高溫點火特性.

RP-3航空煤油;替代燃料;燃燒機理;點火延時;敏感度分析

1 引言

航空燃料燃燒的數值模擬對發動機的設計具有重要的指導意義,構建可靠簡化的燃料燃燒機理是燃燒數值模擬的基礎.由于航空燃料通常包括直鏈烷烴、支鏈烷烴、烯烴、環烷烴和芳香烴等上百種化合物,研究實際燃料的燃燒機理非常困難,通用的做法是選取替代組分組成替代燃料來再現實際燃料的基本性質.1替代燃料的組分越少,反應機理越簡單,就越有利于數值模擬.

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

國際上不少研究組對Jet-A、JetA-1和JP-8等航空煤油的替代組分作了深入的研究.如Dagaut2用正癸烷(74%,體積分數)、丙基苯(15%)、丙基環己烷(11%)組成JetA-1的替代燃料,構建燃燒機理并模擬了燃料在射流攪拌反應器(JSR)中燃燒的物種濃度; Patterson等3用89%(摩爾分數)正癸烷和11%甲苯組成的替代燃料模擬了JetA-1在JSR和預混平板火焰中的燃燒特性;Montgomery等4用32.6%(摩爾分數)正癸烷、34.7%正十二烷、16.7%甲基環己烷和16%丁苯模擬了JP-8在激波管中的點火延時; Cathorment等5用78%(摩爾分數)正癸烷、9.8%環己烷和12.2%甲苯組成的替代燃料模擬了JP-8在JSR中的燃燒特性;Honnet等6用80%(質量分數)正癸烷和20%1,2,4-三甲基苯組成煤油替代物;Humer等1用正癸烷/正十二烷/甲基環己烷/甲苯/鄰二甲苯作為替代組分,分別組成了三組替代煤油,力圖使替代煤油的性質能重現JP-8和Jet-A的燃燒特性.

國內碳氫燃料燃燒機理的研究較為薄弱,模擬采用的燃燒機理通常來自外國文獻,但由于實際燃料的組成不同,使國外公開的反應機理與國內實際情況相差較大.如RP-3是國內廣泛使用的一種航空煤油,它的化學反應動力學機理的研究卻很少.范學軍和俞剛7采用49%(摩爾分數)正癸烷、44%三甲基環己烷和7%正丙基苯組成替代燃料進行了RP-3航空煤油的熱物理特性研究,該替代燃料的相對分子量為133.42,碳氫摩爾比為0.4857;肖保國等8采用了79%(摩爾分數)正癸烷、13%三甲基環己烷和8%已基苯組成的替代燃料,模擬了RP-3航空煤油在等容條件下的點火延時以及層流預混火焰,并與實驗值相比較,該替代模型的平均相對分子量為137.04,近似分子式為C9.71H20.52.

本研究在對RP-3煤油的成分分析的基礎上建立了RP-3高溫燃燒的三組分替代模型,使用自主研發的高碳烴燃燒反應的機理生成程序ReaxGen,9建立了RP-3替代燃料的高溫燃燒機理.用此機理模擬了RP-3在激波管中的點火延時并與實驗結果進行對比研究,結果表明該機理能很好地描述RP-3煤油的高溫點火特性,有助于工程計算流體力學的仿真設計.

2 RP-3航空煤油替代模型的構建

本研究通過色/質聯用手段檢測了RP-3航空煤油樣品的組成,用質量分數表示的RP-3航空煤油樣品的主要成分如表1所示.表1只給出含量(質量分數)大于0.5%的物種,通過測定結果可知,該RP-3航空煤油樣品含72.0%鏈烷烴、13.7%環烷烴、11.3%芳香烴;此外還含少量的醇類,平均分子量為150.0,碳氫摩爾比為0.4879.本研究綜合考慮各種類型的烴在煤油中的比例、煤油的平均相對分子量和碳氫摩爾比等問題,兼顧后文所述替代模型中不同組分的濃度對點火延時模擬結果的影響,提出以73.0%(質量分數)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基環己烷和12.3%正丙基苯作為RP-3航空煤油的高溫燃燒替代燃料的模型.

3 詳細機理的構建及簡化

3.1 詳細機理的構建方法

本研究組長期致力于碳氫燃料燃燒機理的自動生成程序ReaxGen的開發與完善,目前該程序已經能對鏈烷烴10,11和單環烷烴12,13的單組分高溫燃燒機理進行構建并得到實驗驗證.烴的燃燒反應屬于典型的鏈反應,高溫燃燒反應的種類有限,具備程序化的特征;由于高碳烴在燃燒過程中同類型的物種的反應具有共性,這些物種的反應活性中心相同時具有相同的反應類型,受物種大小和周圍環境的影響很小,其反應動力學參數按反應歸類的方式確定;根據此原則,可以用程序ReaxGen逐級地構建C5及其以上物種參與的反應及相應的動力學參數.

鏈烷烴高溫燃燒的反應類型主要有:(1)烷烴的單分子裂解反應,(2)自由基對烷烴的氫提取反應, (3)烷基的氫遷移重排,(4)烷基的裂解反應,(5)烷基氧化生成烯烴,(6)烯烴的裂解反應,(7)烯烴氫提取反應(烯丙基位、烯基位、烷基位提取),(8)烯烴的加成反應(氫原子、氧原子、甲基、羥基、過氧化氫加成),(9)逆烯反應,(10)烷基位烯自由基的重排反應, (11)烯丙型自由基裂解,(12)烯基自由基裂解,(13)烷基位烯自由基的裂解.與鏈烷烴不同,單環烷烴高溫燃燒的關鍵步驟是開環反應,一種開環方式是單環上的碳碳鍵裂解形成雙自由基,雙自由基通過裂解產生小分子或者異構成烯烴;另一種開環方式是單環上的烷基發生氫提取反應成單環烷基,進一步發生β裂解開環;開環以后的物種發生的反應與鏈烷烴類似.因此,在ReaxGen程序中添加了雙自由基的裂解反應和雙自由基異構成烯烴兩類反應.此外,當ReaxGen程序產生多種類型烴的燃燒機理時,需要同時包含鏈烷烴和單環烷烴的燃燒反應類型,每種烴燃燒產生的相同物種必須通過程序識別,在燃燒機理中必須具有相同的物種名稱.

表1 RP-3煤油的主要成分Table 1 Main components of RP-3 kerosene

根據上述規則構建相應的反應類型子程序模塊,高碳烴的起始反應物調用對應的反應類型,結合動力學參數,產生相應的反應方程,所得的產物也調用相應的反應類型,由此產生一連串的反應方程及相應的動力學參數,直到產生的物種含碳數等于4,由此得到高碳烴燃燒的擴展機理.燃燒產生的

C0

-C4小分子和自由基的機理非常重要,所用的動力學參數應當準確,本研究用Wang等14發展的比較成熟的C0-C4核心機理.因此,詳細機理的動力學文件由C0-C4的核心機理和ReaxGen產生的C5以上烴的擴展機理構成.

核心機理的熱力學參數來源于文獻,14C5以上物種的熱力學參數采用National Institute of Standards and Technology(NIST)的基團貢獻法計算得到,對不能由基團貢獻法得到熱力學數據的物種,用量子化學的B3LYP/6-31G(d,p)方法計算它們的熱力學數據,并擬合成如下形式:

式中Cp,m為恒壓摩爾熱容,Sm?為標準摩爾熵,ΔfHm?為標準摩爾生成焓,R是理想氣體常數,T是溫度,ai(i=1-7)為擬合參數.物種的熱力學參數可由一組參數表示為溫度的函數,反之,指定溫度下物種的熱力學參數也可由以上表達式計算得到.物種的輸運數據由物質的臨界參數計算,對于缺乏臨界參數的自由基等物質,采用與其結構最接近的中性分子的數據近似.

根據上述方法,由ReaxGen程序生成鏈烷烴和環烷烴的機理,再添加芳香烴的機理,15構建出了RP-3三組分替代模型的高溫燃燒詳細機理,動力學文件中包含了2237個物種,7959個反應.

3.2 詳細機理的點火延時模擬

點火延時是表征燃料特性的一個重要參數,唐洪昌16和Zhang17等利用反射激波點火,采用壁端壓力和CH*(激發態)發射光為點火指示信號,測量了氣相煤油/空氣混合物的點火延時.本文運用與文獻16,17的實驗條件相同的模擬條件,點火溫度為1100-1500 K,壓力為1.01×105、2.02×105和4.04×105Pa,化學計量比(φ)為0.2、1.0和2.0,采用Chemkin-II程序包,利用反射式激波管模型,模擬了RP-3替代燃料的點火延時,模擬結果與實驗結果對比如圖1所示.

由圖1可知,在高溫中壓的條件下,實驗點火延時與溫度的倒數呈指數關系,由圖1(a)可知,點火延時隨壓力的增大而減小,用詳細機理模擬的點火延時均能定性地反映出這些特征;由圖1(b)可知,實驗點火延時隨化學計量比的增大而減小.用RP-3航空煤油替代模型的詳細機理模擬的點火延遲在溫度為1100-1500 K,壓力為1.01×105、2.02×105、4.04× 105Pa,化學計量比為1.0、2.0的條件下,與實驗值16,17吻合較好.但由圖1(b)可知,僅在溫度為1100-1500 K,壓力為2.02×105Pa,化學計量比為0.2的極貧油條件下,模擬值與實驗值有較大偏差,推測原因為極貧油燃燒的關鍵反應與其它化學計量比條件下燃燒的關鍵反應可能有所不同.由于缺少RP-3航空煤油的其它實驗數據,如層流預混火焰的傳播速度、物種濃度及射流攪拌反應器中的物種濃度,該機理未對這些燃燒特性進行驗證,因此,本詳細機理適用于描述RP-3航空煤油在高溫、中壓下的點火特性,僅在極貧油條件下會出現偏差.

圖1 RP-3煤油替代模型詳細機理的點火延時模擬Fig.1 Simulated ignition delay times by using the detailed mechanism of RP-3 kerosene surrogate model

3.3 詳細機理的簡化

Chen18使用計算流體力學(CFD)方法對甲烷/空氣(36個物種,217個反應)燃燒反應流的計算研究顯示,約80%的計算時間都用于化學動力學源項的求解.RP-3航空煤油替代模型的詳細機理含有2237個物種、7959個反應,如此復雜的燃燒動力學機理難以直接用于流體力學仿真模擬,在實際燃燒的CFD模擬中,必須對復雜的燃燒化學反應動力學機理進行簡化.19-22

為了提高計算效率,首先用物質產率分析方法在壓力為2.02×105Pa,溫度為1200 K,化學計量比為1.0的條件下對詳細機理進行簡化,此方法先計算每個反應在總的反應過程中,對每個物種的生成或消耗的貢獻,如果貢獻小于某一閾值,則刪除該反應,同時也刪除沒有參與任何反應的多余物種,得到半詳細機理(257個物種,874個反應).

再使用本研究組發展的近似軌跡優化算法(ATOA)方法23在壓力為1.01×105-4.04×105Pa,溫度為1100-1500 K,化學計量比為0.2-2.0的范圍內對半詳細機理進行深度簡化,得到最終的簡化機理(138個物種,530個反應).

3.3.1 ATOT簡化原理

均相反應體系在某一時刻的狀態是由各物種的摩爾分數、壓力、系統焓值確定的,所以燃燒過程中的任意狀態,均可在N+2維空間表示為一個點(h, p,x1,x2,…,xN),其中N是系統中的物種數,h和p分別是體系的焓和壓力,xj為物種j的摩爾分數.通常在機理簡化的燃燒模擬中,采用絕熱等壓模型(壓力,焓恒定).因此可用各物種的摩爾分數確定任意時刻系統的狀態,表示為N維空間中的一個點.系統隨時間的變化則可用N維空間中狀態點的軌跡表示.各狀態點上,第i個基元反應所引起的所有物種生成速度可由下式確定:

式中si表示與第i個基元反應對應的計量系數向量. qi表示與第i個基元反應對應的凈反應速率.ωi表示在N維空間中的一個矢量,它的物理含義為第i個基元反應使系統偏離當前狀態點的速率和方向.ωsem為半詳細機理中各基元反應所引起的物種生成速度矢量的加和,表示化學反應之后系統與當前狀態點偏離大小與方向,用下式計算得到:

從半詳細機理的M個基元反應中,挑選m個重要基元反應,使得簡化機理所得到N維空間軌跡與半詳細機理所得到的軌跡盡量接近,保證簡化機理對點火延遲的描述接近于半詳細機理的結果.

去掉(M-m)個冗余基元反應引起的各個物種生成速度誤差向量可表示為:

上式中ωred是簡化機理中所有反應所引起的物種生成速度矢量的加和.在機理簡化過程中,尋找盡可能少的重要反應,使其在各狀態點的誤差向量的模與在半詳細機理下該物種生成速度向量的模的比值均小于給定閾值ε:

ε取值范圍0到1,ε越小,簡化機理包含的基元反應越多,與半詳細機理描述的燃燒軌跡越接近,模擬誤差越小,在具體簡化時應根據實際情況合理選取.

簡化開始時,假設所有反應都屬于冗余反應集,在ATOA算法中,我們將冗余反應集中物種生成速度矢量投影在誤差矢量方向,來確定該反應各基元反應的重要性.如某個反應所引起的物種生成速度量在誤差矢量上投影的絕對值最大,就表示這個反應對總誤差矢量影響較大,應該添加到重要反應集中.重要反應集中每增加一個基元反應,誤差矢量就會發生變化,因此需要用(6)式重新計算誤差矢量,然后重復以上重要反應集增補過程,直到滿足(7)式.這樣獲得的重要反應集構成了一個候選簡化機理.半詳細機理中沒有參與任何反應的物種被自然去掉,燃燒模擬的誤差則用來判斷候選簡化機理的優劣.如圖2(a)所示:反應(1)的矢量ω1向總誤差矢量Verr的投影最大,因此反應(1)被選為重要反應,以此類推篩選出重要反應集.

圖2 投影篩選原理圖Fig.2 Schematic diagrams of screen by projecting

由于簡化所依據的樣本對簡化的結果影響較大,24簡化過程中反應、物種被選中的順序都可能對重要反應集的生成產生影響,因此存在多個滿足(7)式的重要反應集.在ATOA算法中,進一步采用迭代改進算法25,26對重要反應集進行優化,以在滿足(7)式的條件下獲得包含盡量少的物種且燃燒模擬誤差盡量小的重要反應集.

3.3.2 詳細機理與簡化機理的動力學模擬

為了驗證簡化機理對點火延遲的描述是否接近于詳細機理的結果,本文在溫度為1100-1500 K,壓力為1.01×105、2.02×105、4.04×105Pa,化學計量比為0.2、1.0、2.0條件下,用RP-3替代模型的詳細機理、半詳細機理以及簡化機理模擬了點火延時,結果如圖3所示.由圖3可知,簡化機理能再現詳細機理和半詳細機理的點火延時模擬結果.簡化機理對半詳細機理而言,平均點火延時誤差1.50%,最大點火延時誤差4.95%.

圖3 RP-3煤油替代模型詳細機理、半詳細機理及簡化機理的點火延時模擬結果Fig.3 Simulated ignition delay times by using the detailed,semi-detailed,and reduced mechanisms of RP-3 kerosene surrogate model

表2 RP-3煤油替代模型Table 2 Surrogate models for RP-3 kerosene

4 替代燃料模型和燃燒機理分析

4.1 替代模型的組成對點火延時的影響

由于實際航空煤油含有烴的種類較多,替代模型并不能滿足實際燃料的所有特性,替代模型中各種類型烴的含量、平均相對分子質量及碳氫摩爾比對點火特性的影響較明顯,本研究在對RP-3航空煤油樣品分析的基礎上,提出了以正十二烷/1,3,5-三甲基環己烷/正丙基苯作為航油的替代組分,如表2中所示的八種替代模型來考察替代燃料中各組分的成分對模擬結果的影響.

如表2所示,名為RP-3-A到RP-3-H的替代模型,隨著正十二烷含量的減少平均相對分子量逐漸減小.其中RP-3-C、RP-3-D、RP-3-E和RP-3-F四種替代模型的平均相對分子質量和碳氫摩爾比與實際燃料比較接近,相對誤差均小于3%,而RP-3-A、RP-3-B、RP-3-G和RP-3-H模型的平均分子量和碳氫摩爾比與實際燃料相差較大.

將這八種替代模型分別在p=2.02×105Pa,?= 1.0;p=2.02×105Pa,?=2.0和p=4.04×105Pa,?=1.0的條件下模擬了激波管點火延時隨溫度的變化,并與唐洪昌等16實驗結果相比較;八組替代模型在不同條件下模擬的點火延時相對誤差列于表3中,由表3可知,RP-3-A、RP-3-B、RP-3-H的平均相對點火誤差較大,且RP-3-A、RP-3-B、RP-3-G、RP-3-H的最大相對誤差較大;表4給出了RP-3-C、RP-3-D、RP-3-E和RP-3-F四種替代模型在各溫度下模擬的點火延時和對應的實驗值,可知這四組模型的模擬結果比較接近,并與實驗值差別較小;而RP-3-A、RP-3-B、RP-3-G和RP-3-H四種模型的模擬結果與其余四種相差較大,圖4描述了RP-3-A、RP-3-B、RP-3-G、RP-3-H和RP-3-F五種模型的模擬結果,由圖4可知,五組模型的平均相對分子質量大小順序為RP-3-A＞RP-3-B＞RP-3-F＞RP-3-G＞RP-3-H,隨著平均相對分子質量的減小,點火延時增加.

表3 RP-3煤油替代模型模擬的點火延時相對誤差Table 3 Relative errors of the simulated ignition delay time for RP-3 kerosene surrogate models

綜合對圖4、表3和表4的分析,RP-3-C、RP-3-D、RP-3-E和RP-3-F四組模型的點火延時均在可接受的范圍內.在表2中RP-3-C、RP-3-D、RP-3-E、RP-

3-F四組的平均相對分子量最大相對誤差為2.8%,碳氫摩爾比的最大相對誤差為2.9%,因此可以推斷,替代模型的平均相對分子量和碳氫摩爾比的相對誤差在3%之內,對點火延時的影響可以忽略.在選取替代模型時,首先排除相對誤差較大的RP-3-A、RP-3-B、RP-3-G、RP-3-H四組;雖然RP-3-C、RP-3-D、RP-3-E和RP-3-F四組模型的點火延時比較接近,但考慮到不同類型的烴在煤油中的作用不同,如芳香烴在煤油中對燃燒過程碳煙的生成關系極大,因此,選取各種類型的烴在煤油中的比例與實際煤油最接近的RP-3-C替代模型,即為73.0%(質量分數)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基環己烷,12.3%正丙基苯,該替代燃料的平均相對分子量為154.2,碳氫摩爾比為0.4916.

表4 RP-3煤油替代模型模擬的點火延時與實驗值比較Table 4 Comparison of simulated ignition delay times with experimental data for RP-3 kerosene surrogate models

圖4 RP-3煤油替代模型模擬的點火延時與實驗數據的比較Fig.4 Comparison of simulated ignition delay times with experimental data for RP-3 kerosene surrogate models

4.2 敏感度分析

在圖1(b)中,?為0.2時,替代模型的模擬值在高溫段與實驗值有一定差距,推測是由于極貧油燃燒與其它條件下的燃燒所涉及的關鍵反應有所不同.為了近一步研究該問題,對該替代模型在壓力為2.02×105Pa,溫度為1200 K,化學計量比為0.2、1.0以及2.0條件下分析了機理中各反應的敏感度,敏感度系數計算采用Kumar等27的公式

其中,τign(ki)表示i反應的速率常數為ki的點火延時, τign(2ki)表示i反應的速率常數增大一倍的點火延時.反應的敏感度系數為正,說明該反應對點火起抑制作用;反之敏感度系數為負,則起促進作用.結果如圖5(a)所示.

圖5 各反應對點火延時的敏感度分析Fig.5 Sensitivity analysis of ignition delay time with respect to reactions

由圖5(a)可知,該替代模型在極貧油和富油燃燒條件下,影響點火延遲時間的關鍵反應不盡相同.在化學計量比為0.2、1.0及2.0時,對點火促進作用最大的反應均是H+O2=O+OH.但反應CHO(+ M)=CO+H(+M)(式中M指化學反應中的第三體),在化學計量比為0.2和1.0時,敏感度系數為負,對點火起促進作用,而化學計量比為2.0時,該反應則對點火起抑制作用;而反應H+O2(+M)=HO2(+M), CHO+O2=CO+HO2在化學計量比為0.2時,敏感度系數為正,對點火起抑制作用,而化學計量比為1.0和2.0時,該反應則對點火起促進作用.OH+HO2=H2O+ O2、HO2+O=OH+O2、H2O2+OH=HO2+H2O、CO+OH= CO2+H等反應在極貧油和富油的不同模擬條件下,對點火延時的影響大小也存在著明顯的差異,可見,影響極貧油燃燒和富油燃燒點火的關鍵反應存在差異.圖5(a)的敏感度分析顯示,影響高溫燃燒點火的關鍵反應主要涉及C0-C4核心機理中的小分子反應,因此推測,可能是因為所使用的核心機理14中,缺少個別在貧油條件(?=0.2)下的反應及反應通道.但是,正如Curran研究組28所述,用實驗數據擬合動力學參數得到的完整機理,通過簡單地修改某些反應的動力學參數并不能得到與實驗數據一致的模擬結果,因而下一步的工作需要對極貧油燃燒下,核心機理中的相關反應作深入的研究.

同時,也考察了在不同壓力下,影響點火延時的關鍵反應.分別在化學計量比為1.0,壓力為1.01× 105、2.02×105和4.04×105Pa下對該簡化機理中的各反應進行了敏感度分析,結果見圖5(b).由圖5(b)可知,該機理中影響點火延時的關鍵反應差異不大,僅有C2H3+O2=CHO+HCHO在壓力為4.04×105Pa時,對點火延時的抑制作用明顯降低.是因為該反應是化學活化反應,該類反應為壓強相關反應,但在核心機理中,該反應未被當做壓強相關反應處理.

5 結論

首先用色/質聯用手段檢測了RP-3航空煤油樣品的組成,綜合考慮煤油的平均相對分子量、碳氫摩爾比、點火延時相對誤差以及各類型烴在煤油中的含量比例等問題,提出了由正十二烷/1,3,5-三甲基環己烷/正丙基苯(73.0%/14.7%/12.3%,質量分數)構成的RP-3航空煤油三組分替代模型;然后用自主研發的機理自動生成程序ReaxGen,構建了RP-3替代燃料的高溫燃燒詳細機理;為驗證機理的合理性,用該替代模型的高溫燃燒詳細機理模擬了激波管的點火延時,并與RP-3煤油點火延時的實驗數據比較,結果表明,點火延時的對數與溫度的倒數呈線性關系,這與實驗所揭示的規律一致.本詳細機理適用于描述RP-3航空煤油在高溫、中壓下的點火特性,僅在極貧油條件下會出現偏差.

用物質產率分析方法和近似軌跡優化算法方法簡化了該詳細機理,得到了138個物種、530個反應的替代燃料高溫燃燒簡化機理,對點火延時的模擬結果顯示,簡化機理能再現詳細機理和半詳細機理的點火延時模擬結果.通過對替代模型的組成對點火延時的影響分析發現:平均相對分子量和碳氫摩爾比在3%的差別范圍內,對點火延時的影響可以忽略.對該簡化機理分析了影響點火延時的關鍵反應,結果表明:化學計量比相同改變壓力時,影響點火延時的關鍵反應幾乎相同,僅有少數壓力相關反應在核心機理中未被標注;而壓力相同改變化學計量比時,極貧油時對點火延時敏感的關鍵反應與化學恰當比和富油時的相差較大,可能是因為所使用的核心機理14中,缺少個別在極貧油條件下的反應及反應通道.

(1) Humer,S.;Frassoldati,A.;Granata,S.;Faravelli,T.;Ranzi,E.; Seiser,R.;Seshadri,K.Proc.Combust.Inst.2007,31(1),393. doi:10.1016/j.proci.2006.08.008

(2) Dagaut,P.Phys.Chem.Chem.Phys.2002,4(11),2079.doi: 10.1039/b110787a

(3) Patterson,P.;Kyne,A.;Pourkashanian,M.;Williams,A.; Wilson,C.J.Propul.Power 2001,17(2),453.doi:10.2514/ 2.5764

(4) Montgomery,C.J.;Cannon,S.M.;Mawid,M.A.;Sekar,B. Reduced Chemical Kinetic Mechanisms for JP-8 Combustion. In Procedings of the 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,40thAIAAAerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno,Nevada,Jan 14-17,2002;American Institute of Aeronautics andAstronautics:Reno,Nevada,2002.

(5) Cathormet,M.;Voisin,D.;Etsordi,A.;Sferdean,C.;Reuillon, M.;Boettner,J.C.;Dagaut,P.Kerosene Combustion Modeling Using Detailed and Reduced Chemical Kinetic Mechanisms.In RTO Meeting Proceedings 14,Gas Turbine Engine Combustion, Emissions and Alternative Fuels,RTOAVT Symposium, Lisbon,Portugal,Oct 12-16,1998.

(6) Honnet,S.;Seshadri,K.;Niemann,U.;Peters,N.Proc. Combust.Inst.2009,32(1),485.doi:10.1016/j. proci.2008.06.218

(7) Fan,X.J.;Yu,G.J.Propul.Technol.2006,27(2),187. [范學軍,俞 剛.推進技術,2006,27(2),187.]

(8) Xiao,B.G.;Yang,S.H.;Zhao,H.Y.;Qian,W.Q.;Le,J.L.J.Power Sources 2010,25(9),1948.[肖保國,楊順華,趙慧勇,錢煒祺,樂嘉陵.航空動力學報,2010,25(9),1948.]

(9) Li,J.;Shao,J.X.;Liu,C.X.;Rao,H.B.;Li,Z.R.;Li,X.Y. Acta Chim.Sin.2010,68(3),239.[李 軍,邵菊香,劉存喜,饒含兵,李澤榮,李象遠.化學學報,2010,68(3),239.]

(10) Guo,J.J.;Hua,X.X.;Wang,F.;Tan,N.X.;Li,X.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30(6),1027. [郭俊江,華曉筱,王 繁,談寧馨,李象遠.物理化學學報,2014,30(6),1027.] doi:10.3866/PKU.WHXB201404031

(11) Hua,X.X.;Wang,J.B.;Wang,Q.D.;Tan,N.X.;Li,X.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27(12),2755.[華曉筱,王靜波,王全德,談寧馨,李象遠.物理化學學報,2011,27(12),2755.]doi: 10.3866/PKU.WHXB20112755

(12) Guo,J.J.;Wang,J.B.;Hua,X.X.;Li,Z.R.;Tan,N.X.;Li,X. Y.Chem.Res.Chin.Univ.2014,30(3),480.doi:10.1007/ s40242-014-3460-0

(13) Tan,N.X.;Wang,J.B.;Hua,X.X.;Li,Z.R.;Li,X.Y.Chem.J. Chin.Univ.2011,32(8),1832.[談寧馨,王靜波,華曉筱,李澤榮,李象遠.高等學校化學學報,2011,32(8),1832.]

(14) Wang,H.;You,X.Q.;Joshi,A.V.;Davis,S.G.;Laskin,A.; Egolfopoulos,F.;Law,C.K.USC Mech Version II.High-Temperature Combustion Reaction Model of H2/CO/C1-C4 Compounds.http://ignis.usc.edu/USC_Mech_II.htm(accessed May,2007).

(15) Dagaut,P.;El Bakali,A.;Ristori,A.Fuel 2006,85(7),944.

(16) Tang,H.C.;Zhang,C.H.;Li,P.;Wang,L.D.;Ye,B.;Li,X.Y. Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28(4),787.[唐洪昌,張昌華,李 萍,王利東,葉 彬,李象遠.物理化學學報,2012,28(4), 787.]doi:10.3866/PKU.WHXB201202161

(17) Zhang,C.;Li,B.;Rao,F.;Li,P.;Li,X.Proc.Combust.Inst. 2014,35(3),3151.

(18) Chen,Z.Studies on the Initiation,Propagation,and Extinction of Premixed Flames.Ph.D.Dissertation,Princeton University: Princeton,New Jersey,2009.

(19) Prager,J.;Najm,H.N.;Valorani,M.;Goussis,D.A.Proc. Combust.Inst.2009,32(1),509.doi:10.1016/j. proci.2008.06.074

(20) Lu,T.;Law,C.K.Proc.Combust.Inst.2005,30(1),1333.doi: 10.1016/j.proci.2004.08.145

(21) Nagy,T.;Turányi,T.Combust.Flame 2009,156(2),417.doi: 10.1016/j.combustflame.2008.11.001

(22) Ren,Z.;Pope,S.B.Proc.Combust.Inst.2005,30(1), 1293.doi:10.1016/j.proci.2004.07.017

(23) Liu,A.K.;Li,S.H.;Wang,F.J.Propul.Technol.2015,36(1), 142. [劉愛科,李樹豪,王 繁.推進技術,2015,36(1),142.]

(24) Lu,T.;Law,C.K.Prog.Energ.Combust.2009,35(2), 192.doi:10.1016/j.pecs.2008.10.002

(25) Lindberg,B.BIT 1980,20(4),486.doi:10.1007/BF01933642

(26) Davenport,A;Tsang,E.;Wang,C.J.;Zhu,K.GENET:A ConnectionistArchitecture for Solving Constraint Satisfaction Problems by Iterative Improvement.InAAAI'94 Proceedings of the Twelfth National Cconference on Artificial Intelligence(Vol. 1),The Twelfth National Conference onArtificial Intelligence, Seattle,Washington,Jul 31-Aug 4,1994;AAAI Press:Seattle Washington,1994;pp 325-330.

(27) Kumar,K.;Mittal,G.;Sung,C.J.;Law,C.K.Combust.Flame 2008,153(3),343.doi:10.1016/j.combustflame.2007.11.012

(28) Metcalfe,W.K.;Burke,S.M.;Ahmed,S.S.;Curran,H.J.Int. J.Chem.Kinet.2013,45(10),638.doi:10.1002/kin.2013.45. issue-10

Construction of Autoignition Mechanisms for the Combustion of RP-3 Surrogate Fuel and Kinetics Simulation

XU Jia-Qi1GUO Jun-Jiang2LIUAi-Ke2WANG Jian-Li1TAN Ning-Xin2,*LI Xiang-Yuan2
(1College of Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610064,P.R.China;2College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,P.R.China)

According to a component analysis of RP-3 aviation kerosene and eight surrogatemodels' comparative data,a surrogate model comprising n-dodecane/1,3,5-trimethylcyclohecane/n-propylbenzene (73.0%/14.7%/12.3%,mass fraction)was obtained.Adetailed mechanism for the combustion of RP-3 surrogate fuel at high temperature was developed using an automatic generation software package,ReaxGen.Ignition delay times simulated using this mechanism were compared with experimental data.Adetailed mechanism was reduced by adopting rate-of-production analysis and approximate trajectory optimization algorithm(ATOA) reduced methods.Finally,the sensitivity of ignition delay time was analyzed under conditions of different equivalent ratios and pressures using the reduced mechanism.Differences in key reactions contributing to the ignition delay time were identified at different equivalent ratios.The results indicate that our mechanisms can characterize the ignition delay time during combustion of RP-3 kerosene at high temperature.

RP-3 aviation kerosene;Surrogate fuel;Combustion mechanism;Ignition delay time; Sensitivity analysis

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(91441132).國家自然科學基金(91441132)資助項目

O643

10.3866/PKU.WHXB201503022www.whxb.pku.edu.cn

Received:November 2,2014;Revised:February 8,2015;Published on Web:March 2,2015.?