基于敏感性分析的重油替代物簡化機理

柴油機具有經濟性好，可靠性高的特點，自1904年首次被應用于船舶以來，長期占據船舶推進動力裝置中的統治地位。船舶營運中燃料成本占有較高比例，上個世紀石油危機時期，輕柴油價格飛漲，給船舶營運造成一定成本壓力。在此背景下，經過專業人員技術革新，船用柴油機燃用重油獲得成功，重燃料油簡稱重油

，是一種低質燃料油，由石油直餾殘渣油和二次加工柴油混合而得。成分復雜，黏度高，因其價格低廉，在大功率中、低速柴油機得到推廣和應用。然而，大量船舶燃用重油已對海洋和瀕海地區造成環境污染，這一問題正在被更多國家和國際組織所關注，相繼出臺海洋環保法律和法規。

為了滿足日趨嚴格的排放法規，開展船用柴油機重油燃燒和排放過程研究，成為提高燃料經濟性和降低燃燒排放污染物的主要技術途徑。利用實驗臺架開展船用柴油機重油燃燒過程研究，存在實驗成本高，研究周期長等問題，常規做法是借助柴油機燃燒計算軟件搭建三維流體動力學模型，再利用一定的實驗臺架數據對模型進行修正和驗證，在此基礎上開展重油燃燒過程研究。重油成分復雜，組分中存在較多長鏈和苯環結構碳氫化合物，燃燒過程受到缸內物理、化學耦合作用，中間反應路徑及反應機理復雜多樣，因而重油燃燒機理的研究困難多，進展相對緩慢。燃料的化學反應動力學機理模型可以較好預測點火時刻，準確描述內燃機缸內燃燒變化過程，同時可以對缸內燃燒中產生的中間物質及相關重要組分的濃度進行準確預測。但燃料的詳細化學動力學機理往往包含較多的物質組分和基元反應，機理成分相對較為復雜。由于計算條件所限，燃料的化學動力學詳細機理僅能依賴于較為簡單的基礎性燃燒試驗研究，開展更為深入的研究，仍然需要借助燃料的替代物簡化機理。

如上所述，構建重油替代物的化學反應動力學簡化機理模型，可以降低化學反應動力學的復雜性，降低研究計算成本，在一定程度上也可以兼顧模擬精度與研究廣度。本文基于重油成分，選取甲苯用來代表芳香烴化合物，正庚烷用來代表烷烴化合物，丙烯用來代表烯烴化合物。構建重油替代物機理模型。

1 機理簡化

在化學動力學發展的過去幾十年中，人們對于機理簡化的研究已經有了一定經驗基礎。機理的簡化整體上大致可分為兩類

，第一類是根據反應或者組分的重要程度進行篩檢，如敏感性分析法(SA)、直接關系圖法(DRG)及發展出來的基于誤差傳播的直接關系圖法(DRGEP)等。第二類是根據一些數學方法對詳細機理進行簡化，如計算奇異攝動法(CSP)、準穩態假設法(QSSA)等。本文采用第一類方法，首先通過DRGEP方法分別對詳細機理進行簡化，結合敏感性分析進行優化，得到簡化機理。

直接關系圖法，即從選定組分出發，通過分析比較其他組分與選定組分的關聯性，定量的確定簡化后機理與原始機理之間的著火延遲誤差，去除不重要的組分及相關基元反應。但直接關系圖法存在一些缺陷：在簡化過程中預先設定的閾值有較強的經驗性，需要多長試驗；在直接關系圖法中沒有直接考慮每個基元反應和組分對于化學機理重要參數的影響。針對以上缺陷，在此基礎上推出了基于誤差傳播的直接關系圖法(DRGEP)，可以有效解決該問題，在實際應用中得到廣泛推廣。

本文采取Chemkin軟件中的一維計算模塊Premixed Laminar Flame-speed Calculation進行層流火焰傳播速度的計算。選取溫度為450K、壓力為3atm的工況下對甲苯簡化機理進行層流火焰傳播速度計算，得到甲苯簡化機理隨當量比的變化情況并與詳細機理進行對比。由圖5對比發現，部分當量比的預測值略低于詳細機理，但整體趨勢良好。選取溫度為298K、壓力為1atm的工況下對正庚烷簡化機理進行層流火焰傳播速度計算，得到正庚烷簡化機理隨當量比的變化情況并與詳細機理進行對比。由對比發現，簡化機理預測值與詳細機理可以大致吻合。選取溫度為298K、壓力為1MPa的工況下對丙烯簡化機理進行層流火焰傳播速度計算，得到丙烯簡化機理隨當量比的變化情況并與詳細機理進行對比。由對比發現，簡化機理預測值與詳細機理基本吻合，即驗證機理的合理性。

基于以上機理的簡化，對簡化機理從著火延遲時間、層流火焰傳播速度與示功圖方面進行對比驗證。研究認為系統從滿足臨界著火條件的初始溫度到燃燒發生初期點所需要的時間稱為著火延遲時間

，著火延遲時間是最重要的著火特性參數。層流火焰傳播速度的定義為平面火焰的火焰鋒面向未燃氣體方向垂直移動的速度，是燃料火焰傳播特性的重要基礎參數

。示功圖則可以反映柴油機的燃燒特性。

1.1 甲苯機理簡化

直腸檢查是一種現代化的科學檢查手段，在檢查過程中，如果發現母牛子宮出現宮頸大并變軟，子宮角堅實，子宮體積開始增大，并且伴有明顯的收縮反應時，則可以斷定母牛處于發情期。從科學的角度分析，發情期的母牛左右卵巢有明顯的差異，產生卵泡的一側卵巢較大，并且有突出的卵泡。該種檢查在人工授精前也經常使用，判斷更為精準。

1.2 正庚烷機理簡化

正庚烷由于十六烷值與柴油相近，因此常被用作柴油的單組分替代物。本文研究選取正庚烷LLNL機理作為詳細機理

，設置溫度為800～1400K和壓力為20atm為簡化工況，選取NC

H

、O

、N

、CO

、H

O為目標組分。采用DRGEP方法對詳細機理中的不重要組分和基元反應進行刪除。同時在溫度為800K、900K和當量比φ=1.0、φ=0.5的工況下甲苯進行敏感性分析，得到對溫度最為敏感的10個反應。由圖2敏感性分析可得，C

H

+OH=C

H

-2+H

O的正溫度敏感性系數最大，C

H

=C

H

+C

H

的負溫度敏感性系數最大。

1.3 丙烯機理簡化

本文采取Chemkin軟件中的零維均質閉式反應器模型來預測滯燃期。選取壓力為4.6MPa，當量比為1.0的條件下，將本文甲苯簡化機理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細機理進行對比。對比圖如圖4所示。由圖中可得，整體預測值略有偏差，但均在誤差范圍之內，預測趨勢良好。選取壓力為4.2MPa，當量比為1.0的條件下，將本文正庚烷簡化機理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細機理進行對比。由圖中可得，高溫區域預測值略高于詳細機理，整體預測趨勢較為吻合。選取壓力為2MPa，當量比為1.0的條件下，將丙烯簡化機理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細機理進行對比。由對比圖可得，在低溫區域和中溫區域整體預測良好，高溫區域略有偏差。

2 簡化機理的驗證

敏感性分析也叫靈敏度分析，即通過分析系統中的各個參數對系統性能的整體影響程度，根據程度值將其進行區分。在工程應用中，通過對項目進行敏感性分析，可以直觀地獲得系統中的各重要參數信息，便于對參數進行分析，對于系統的設計和優化有重要意義。但對于工程的這種分析，又區別與數學模型的分析。因為實際工程問題的數學模型往往都比較復雜，難以用顯式函數表達式進行描述，且對于項目問題的敏感性分析也只能作為一種輔助手段。在化學動力學研究中，敏感性性分析則可以為化學反應模型的各種參數對結果的影響作出量化表達，對于實驗結果的模擬和表達有重要意義。對組分與基元反應進行敏感性分析，可以判斷基元反應對結算結果的影響程度，從而將對整體計算影響程度較小的基元反應去除，達到機理簡化的目的。

甲苯機理現已發展較為成熟

，本文研究選取Gri-Mech 3.0的甲苯詳細燃燒機理進行簡化，設置溫度為800～1400K和壓力P=10atm為簡化工況，選取C

H

CH

、O

、N

、H

O、CO

為目標組分。采用DRGEP方法對詳細機理中不重要的組分和基元反應進行刪除。同時在溫度T=800K、當量比為0.5、1.0工況下對甲苯詳細機理進行敏感性分析，得到對溫度最為敏感的6個反應。如下圖1所示。由圖中可得，C

H

+O

=C

H

+HO

的負溫度系數最大，C

H

+HO

=C

H

+CH

O+OH的正溫度系數最大。

2.1 滯燃期驗證

丙烯是一些高級烷烴(如丙烷、正丁烷、正庚烷和異辛烷)燃燒的重要中間產物，因為它是烷基自由基分解的產物

。本文研究選取AramcoMech機理進行簡化，設置溫度為800～1400K，壓力P=10atm進行簡化，選取C

H

、O

、N

、CO

、H

O為目標組分。采用DRGEP方法對詳細機理中的不重要組分和基元反應進行刪除。同時在溫度為900K、1200K和當量比為1.0的工況下對丙烯進行敏感性分析，得到了對溫度最為敏感的5個反應。如下圖3所示，其中C

H

+OH=C

H

-a+H

O的正溫度敏感性系數最大，C

H

+O

=CH

CO+HCO的負溫度敏感性系數最大。

2.2 層流火焰速度驗證

圖6給出了彈丸超高速侵徹中厚靶引起的靶板中的波系作用。反射的稀疏波與入射沖擊波相互作用后，靶內出現負壓區，隨著反射稀疏波向靶的深部傳播，負壓將會逐漸增大，當負壓達到靶的動態拉伸強度時，將會形成層裂片并從靶體向外拋出。根據沖擊波強度及靶板厚度的不同，可以形成一塊或多塊層裂片。如果最終的坑底位置與層裂片位置重合，則被定義為“彈道極限條件”。

2.3 示功圖驗證

上述驗證從化學動力學層面對機理進行了驗證，為獲得進一步驗證，需要將發動機的實際燃燒數據與簡化機理的數值模擬結果進行對比。在本次驗證中，本文利用CONVERGE軟件來模擬發動機的燃燒特性。根據7S60船用發動機燃燒室實際尺寸進行構建燃燒室模型，該船機有效壓縮比為16。計算初始時刻缸內溫度為320K，缸內壓力為0.3MPa。為節約計算時間，模擬計算從排氣閥關閉到排氣閥開啟這段時間。對比示功圖如下圖6所示。由圖可得，模擬曲線存在一定誤差，但整體擬合趨勢良好。存在誤差原因如下，本次模擬將仿真系統看成絕熱系統，會忽略掉一部分氣缸漏氣和真實工作狀態的傳熱損失等問題；且模擬機理與實際燃料存在一定誤差。

李曉晨（2000）認為在學習動物學時要記住兩個原則：一是生物體與環境統一的原則，二是結構與功能統一的原則。因此，有內在聯系的動物和動物所發出的行為動作以及他們所生活的環境等詞匯，常會同時出現在動物學英語篇章中。此時通過使用搭配的詞匯銜接手段，使相關詞項在英語篇章中形成語義場，加強句子之間的語義聯系，可以達到使篇章連貫的效果。

⑦地方政府確保投入。地方各級政府要將水土保持治理經費列入當年年度財政預算，并隨著財政收入好轉逐步增加水土保持工作經費。根據規劃，每年市和縣級財政應當安排治理水土流失生態修復投資1 000萬元以上，確保目標任務的全面完成。

3 結論

本文根據重油組分分別選取甲苯、正庚烷、丙烯作為芳香烴化合物、烷烴化合物、烯烴化合物的代表物質，通過采用DRGEP對其進行簡化，結合敏感性分析，得到簡化機理。隨后對簡化機理進行滯燃期與層流火焰速度的驗證，驗證機理的合理性，將其耦合得到121組分、700基元反應的重油替代物簡化機理模型，最后進行示功圖驗證，驗證機理的合理性。

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