摘 要：基于航空煤油理化特性及燃燒條件，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基環(huán)己烷、12.3%正丙基苯作為RP-3航空煤油的替代燃料，同時添加關(guān)鍵低溫反應(yīng)通道，使替代模型能夠滿足寬范圍條件下的燃燒性能。采用敏感度分析簡化方法得到包含86個物種和318個反應(yīng)的骨架機(jī)理。利用Chemkin-Pro模擬了機(jī)理在多種工況下的點火延遲時間、層流火焰速度和重要物種濃度，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，結(jié)果表明86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理能夠較好描述航空煤油的關(guān)鍵燃燒特性。元素流動分析和強(qiáng)制敏感度分析的結(jié)果表明，機(jī)理保留了關(guān)鍵物種和反應(yīng)路徑，具有較高保真度。該機(jī)理尺寸較小且包含低溫反應(yīng)通道，可用于航空發(fā)動機(jī)燃燒過程數(shù)值模擬，進(jìn)一步探究航空燃料在工程應(yīng)用中的實際問題。

關(guān)鍵詞：RP-3航空煤油； 替代燃料； 低溫機(jī)理； 機(jī)理簡化

中圖分類號：V312 " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " 文章編號：1007 - 9734 （2024） 06 - 0038 - 08

0 引 言

航空燃料的燃燒為飛行器的飛行提供了必需的動力，同時也增加了污染物的排放量。目前，如何提高燃料的燃燒效率同時降低污染組分的排放仍是航空發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計面臨的首要問題。航空發(fā)動機(jī)燃燒室中燃料的燃燒涉及流動、化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)等，是一個非常復(fù)雜的湍流化學(xué)反應(yīng)過程[1]。要深入研究這些問題，通常需要可靠的燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。將化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與計算流體力學(xué)（CFD）耦合在一起進(jìn)行燃燒數(shù)值仿真模擬，為研究航空發(fā)動機(jī)的燃燒過程和污染物形成提供了一種行之有效的方法，不僅有助于優(yōu)化航空發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計，探索污染組分的形成機(jī)理，而且顯著降低了研究成本。

實際的航空煤油成分非常復(fù)雜，由烷烴、環(huán)烷烴和芳烴等成百上千種碳?xì)浠瘜W(xué)物組成，平均碳原子數(shù)為10 ～ 16個，想要得到能夠同時描述航空燃料中每一個組分燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理幾乎是不可能的[2-4]。另外，各種航空煤油的原料來源和生產(chǎn)地區(qū)的不同導(dǎo)致其在成分上有顯著差異，這很可能導(dǎo)致不同航空煤油具有不同的燃燒行為。在針對航空煤油這些較為復(fù)雜的混合物構(gòu)建燃燒反應(yīng)機(jī)理時，通常選擇替代組分來代替和模擬目標(biāo)燃料的燃燒特性[5-7]。替代燃料通常是幾種烴化合物的混合物，通過調(diào)節(jié)相對濃度，使得替代燃料的主要物理和化學(xué)性質(zhì)接近于實際航空燃料。在對替代燃料進(jìn)行機(jī)理構(gòu)建時，為了能可靠描述燃料燃燒過程，且能適用于寬工況的燃燒條件，所構(gòu)建的詳細(xì)機(jī)理通常包含太多的物種和反應(yīng)。這樣的詳細(xì)機(jī)理可以幫助理解單組分燃料的燃燒過程，還有助于深入了解復(fù)雜混合物的燃燒行為。但是，這種龐大、復(fù)雜的詳細(xì)機(jī)理給燃燒數(shù)值仿真模擬帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)。高反應(yīng)性自由基的存在使機(jī)理中的各物種和反應(yīng)的化學(xué)時間尺度存在很大差異，這導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的微分方程具有顯著剛性[8-9]。在航空發(fā)動機(jī)三維CFD燃燒數(shù)值模擬中，一般只能使用高度簡化的燃燒反應(yīng)機(jī)理。

國外一些課題組針對Jet-A、Jet-A1、JP-8和JP-10等航空煤油替代模型進(jìn)行了廣泛的研究并開發(fā)了它們的燃燒反應(yīng)機(jī)理[10-13]。目前，我國多個課題組也針對國產(chǎn)RP-3航空煤油開發(fā)了一系列替代模型機(jī)理。肖保國等[14]提出了摩爾比為79∶13∶8的正癸烷、三甲基環(huán)己烷和正乙基苯的三組分RP-3替代燃料模型，并開發(fā)了包含109個物種、946個反應(yīng)的燃燒機(jī)理。曾文等[15]構(gòu)建了摩爾比分別為10∶14∶30∶36∶10的正十二烷、正癸烷、異十六烷、甲基環(huán)己烷和甲苯所組成的五組分替代燃料機(jī)理，通過機(jī)理簡化得到121個物種和469個反應(yīng)的骨架機(jī)理。鐘北京等[16]在2015年構(gòu)建了摩爾分?jǐn)?shù)分別為40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基環(huán)己烷和5%對二甲苯的四組分RP-3航空煤油替代模型機(jī)理，該機(jī)理包含168個物種和1089個反應(yīng)，還對該機(jī)理進(jìn)行了點火延遲時間和層流火焰速度的驗證，能得到合理的結(jié)果。隨后又選取摩爾分?jǐn)?shù)分別為65%正十二烷，10%正十四烷和25%十氫化萘作為替代燃料，提出包含50個物種和274個反應(yīng)的航空煤油替代燃料高溫機(jī)理[17]，但是他們僅用層流火焰速度驗證了此機(jī)理，這個機(jī)理對點火延遲時間的描述方面還需要進(jìn)一步考察。徐佳琪等[18]通過色/質(zhì)聯(lián)用手段檢測了RP-3航空煤油樣品的組成，并選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基環(huán)己烷和12.3%正丙基苯作為替代燃料，開發(fā)出包含2237個物種和7959個反應(yīng)的替代燃料高溫詳細(xì)機(jī)理，通過簡化得到138個物種和530個反應(yīng)的框架機(jī)理，并進(jìn)行了點火延遲時間的驗證，得到合理的結(jié)果。楊墨等[19]提出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為74.24%正癸烷，14.11%1，3，5-三甲基環(huán)己烷和11.65%正丙基苯三組分航空煤油替代燃料高溫詳細(xì)機(jī)理，該替代模型機(jī)理包含79個物種和311個反應(yīng)，但是平均分子量低于實際航空煤油。

雖然基于實際航空燃料已經(jīng)開發(fā)出一些小尺寸替代模型燃燒反應(yīng)機(jī)理，但是這些機(jī)理都局限于高溫燃燒反應(yīng) （初始溫度大于1000 K），高溫燃燒中的關(guān)鍵反應(yīng)通常是一些小分子的反應(yīng)，而低溫燃燒中的關(guān)鍵反應(yīng)涉及過氧化烷基自由基的反應(yīng)，這些高溫機(jī)理都不包括這類反應(yīng)，因此無法可靠描述燃料在低溫下的重要燃燒行為。初始燃燒溫度為600 ～1000K時，燃燒過程以中低溫燃燒反應(yīng)為主，同時中低溫燃燒是降低氮氧化物等污染物排放、實現(xiàn)清潔燃燒的關(guān)鍵，而且低溫階段的氫過氧烷基（?ROOH）及其自由基在燃料的低溫冷焰中起著關(guān)鍵作用[20]。此外，當(dāng)點火溫度在650 ～ 900K之間時，可能會出現(xiàn)點火延遲時間的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)（Negative temperature coefficient，NTC）現(xiàn)象。另外，在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計中貧油熄火也是需要解決的重要問題，在貧油熄火極限附近，燃燒溫度較低，低溫燃燒反應(yīng)路徑也起著重要作用[21]。然而，目前針對航空煤油替代燃料低溫燃燒機(jī)理的研究還比較缺乏。

張昌華等[22]在當(dāng)量比?=0.2 ～ 2.0、壓力P=1 ～ 20 atm，不同溫度下采用反射激波管測量了RP-3/空氣混合物燃燒的點火延遲時間。其中，在?=1.0、P=10 atm條件下，測量了燃料的低溫點火特性，能合理描述煤油燃燒的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)。呂興才等[23-24]基于四組分替代物開發(fā)了包含3065個物種和11 898個反應(yīng)的燃燒反應(yīng)動力學(xué)詳細(xì)機(jī)理，并對此機(jī)理進(jìn)行了點火延遲時間的驗證，能合理描述RP-3航空煤油的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)。該機(jī)理雖然含有低溫燃燒反應(yīng)路徑，但由于包含太多物種，沒有對層流火焰速度等其他較為重要的燃燒性能進(jìn)行驗證。開發(fā)包含低溫燃燒反應(yīng)路徑的小尺寸航空煤油替代燃料機(jī)理仍是重要研究內(nèi)容。

盡管許多研究人員已經(jīng)開發(fā)一些機(jī)理簡化方法[25-31]，可在保持機(jī)理精度下對詳細(xì)機(jī)理開展簡化，但如果直接從復(fù)雜的能可靠描述低溫燃燒過程的詳細(xì)機(jī)理出發(fā)，要得到可靠的能描述低溫燃燒的簡化機(jī)理仍是非常困難的。需要基于航空煤油構(gòu)建替代模型的骨架機(jī)理，而不是龐大的詳細(xì)機(jī)理，采用機(jī)理簡化方法進(jìn)一步簡化骨架機(jī)理，獲得可用于CFD數(shù)值模擬的物種數(shù)更少的機(jī)理。

針對以上問題，本項工作基于徐佳琪等針對RP-3航空煤油提出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73%正十二烷，14.7％1，3，5-三甲基環(huán)己烷和12.3％正丙基苯的三組分替代燃料及燃燒反應(yīng)骨架機(jī)理，通過添加替代燃料的低溫燃燒反應(yīng)通道，首先構(gòu)建了包含143個物種的替代燃料機(jī)理，再進(jìn)一步采用敏感度分析簡化方法對143個物種機(jī)理開展簡化，最終獲得含86個物種和318個反應(yīng)的且能適用于寬溫度、寬工況范圍的RP-3航空煤油替代燃料燃燒反應(yīng)簡化機(jī)理。

1 RP-3替代燃料機(jī)理構(gòu)建和簡化

1.1" RP-3替代燃料機(jī)理構(gòu)建

四川大學(xué)燃燒動力學(xué)中心針對RP-3航空煤油燃燒反應(yīng)機(jī)理開發(fā)方面開展了卓有成效的工作，設(shè)計了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基環(huán)己烷和12.3%正丙基苯作為替代燃料。同時，采用機(jī)理自動生成程序ReaxGen[32]和物質(zhì)產(chǎn)物分析及近似軌跡優(yōu)化算法簡化方法，最終得到包含138個物種和530個反應(yīng)的骨架機(jī)理，該機(jī)理能合理描述燃料高溫自點火特性[18]。

138個物種機(jī)理的替代模型其相對分子質(zhì)量等物理化學(xué)性質(zhì)比較接近實際航空煤油，但所含物種數(shù)較多。本研究結(jié)合實際航空煤油理化特性，基于138個物種機(jī)理中各替代組分的配比及化學(xué)反應(yīng)，同時參考呂興才等[23]提出的RP-3航空煤油替代燃料詳細(xì)機(jī)理中正十二烷關(guān)鍵燃燒反應(yīng)，添加了正十二烷的主要低溫反應(yīng)通道。由于本研究的替代組分中正十二烷占比最高，因此在138個物種機(jī)理上只添加了正十二烷的關(guān)鍵低溫反應(yīng)通道，最終得到包含143個物種、539個反應(yīng)的骨架機(jī)理。所加正十二烷低溫反應(yīng)通道如下：

s0C12H26+O2lt;=gt;s2C12H25+HO2

s2C12H25+ O2lt;=gt;C12H25O2

C12H25O2lt;=gt;C12OOH-T6

C12OOH-T6+O2lt;=gt;C12OOHO2-T6

C12OOHO2-T6lt;=gt;C12KET-T6+OH

C12KET-T6=gt;HCHO+C5H11CO+OH+C3H6+C2H4

s2C12H25+O2 =C12H24+HO2

C12H24+O2 =gt;2C3H6+C2H5+HCHO+CHO+C2H4

s2 C12H25 =gt;2C3H6+ C2H5+2C2H4

1.2" RP-3替代燃料機(jī)理簡化

獲得高精度、尺寸較小的航空煤油替代燃料燃燒機(jī)理對準(zhǔn)確模擬航空發(fā)動機(jī)中真實燃料的燃燒過程非常重要?，F(xiàn)階段，敏感度分析簡化方法是目前能夠獲得包含組分?jǐn)?shù)目最少的框架簡化方法之一。在這類方法中，首先需要提供一個大尺寸機(jī)理和一個小尺寸機(jī)理，小尺寸機(jī)理中的物種被認(rèn)為是重要物種，存在于大尺寸機(jī)理而不存在于小尺寸機(jī)理中的物種被認(rèn)為是不確定物種。不確定物種的敏感度系數(shù)定義為在所有工況條件下，與原機(jī)理相比，從當(dāng)前框架機(jī)理中刪除該物種所引起的重要燃燒特性的最大誤差。這類簡化方法最終得到的簡化機(jī)理的尺寸主要依賴于小尺寸機(jī)理中物種的數(shù)量。因此，小尺寸機(jī)理中的物種不僅要求很少而且均為重要物種，以期最大限度降低最后的簡化機(jī)理中冗余物種的出現(xiàn)。本部分內(nèi)容采用敏感度分析簡化方法對143個物種機(jī)理進(jìn)行寬溫度、寬工況范圍簡化，具體工況范圍為：溫度T=650 ～ 1600K，壓力P=1 ～ 20atm，當(dāng)量比?=0.2 ～ 2.0。

作者在2020年提出了改進(jìn)的敏感度分析簡化方法[31]，在本研究中將繼續(xù)采用該方法對機(jī)理進(jìn)行簡化。以點火延遲時間為機(jī)理簡化衡量標(biāo)準(zhǔn)，采用以下表達(dá)式來確定每個物種的敏感度系數(shù)：

[Si=maxjτi，j-τdetail，jτdetail，j" " " " "j=1，2，...，N] （1）

式中，τij是在第j個工況下，刪除第i個不確定物種所得到的新的框架機(jī)理的點火延遲時間，τdetail，j是第j個工況下原機(jī)理的點火延遲時間。

在敏感度分析簡化方法中，首先要得到每個不確定物種的敏感度系數(shù)，并將敏感度系數(shù)最小的不確定物種最先刪除。當(dāng)一個物種從大尺寸機(jī)理中刪除后，其他不確定物種的敏感度系數(shù)也會發(fā)生變化。因此，每次刪除一個物種，其他不確定物種的敏感度系數(shù)將重新被計算，這個過程是不斷重復(fù)進(jìn)行的，直到刪除骨架機(jī)理中的任何一個物種都會導(dǎo)致機(jī)理的模擬誤差大于給定值，計算結(jié)束。因此，SA方法在獲得更緊湊的簡化機(jī)理方面非常有效，但是計算量也比較大，尤其是不確定物種的數(shù)量很多時。

在本項工作中，為了提高機(jī)理簡化的效率，在每步簡化中將采取遞增刪除物種的方式進(jìn)行，即同時刪除多個物種，而不僅僅是敏感度系數(shù)最小的物種。具體做法為：首先刪除敏感度系數(shù)最小的物種，得到的簡化機(jī)理的誤差為該物種的敏感度系數(shù)，接著進(jìn)一步刪除敏感度系數(shù)排在第二的物種，并計算由此產(chǎn)生的簡化機(jī)理的誤差。繼續(xù)該過程，直到獲得的簡化機(jī)理誤差為通過刪除具有最小敏感度系數(shù)的物種而獲得的簡化機(jī)理的誤差的1.03倍。通過這種方式，可以在每步簡化中刪除一個及以上的物種，能顯著提高機(jī)理簡化的效率。

本項工作中選取s0C12H26、s1C9H18、PHC3H7、O2、N2、CO2、H2O、O、H、OH為重要物種，剩余物種為不確定物種，采用改進(jìn)敏感度分析簡化方法對不確定物種逐一進(jìn)行檢測，刪除不重要物種及其反應(yīng)。同時，我們將替代燃料分子在反應(yīng)中存在的多種同分異構(gòu)體進(jìn)行了集總處理，僅保留一種具有代表性的物種，最終得到含有86個物種和318個反應(yīng)的同時包含低溫燃燒反應(yīng)路徑的簡化機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1" 點火延遲時間的驗證

為了驗證所得到86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理的合理性，采用CHEMKIN-PRO數(shù)值模擬軟件模擬了機(jī)理在不同工況下的點火延遲時間，并與張昌華等[22]測量得到的點火延遲時間進(jìn)行對比。圖1給出了當(dāng)量比?=0.2、1.0和2.0時，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理在不同溫度和壓力條件下的點火延遲時間模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較。從圖中可以看出，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理在多數(shù)工況條件下均可以與實驗值較好地吻合，且在?=1.0、P=10atm時，機(jī)理可以很好地重現(xiàn)燃料在低溫下的負(fù)溫度效應(yīng)。點火延時最大模擬誤差為31%，出現(xiàn)在貧油?=0.2、壓力P=10atm、T=1228K條件下?？傮w上，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理能夠可靠地描述RP-3航空煤油在當(dāng)量比為0.2、1.0和2.0時的寬溫度和壓力范圍內(nèi)的點火特性。

2.2" 層流火焰速度的驗證

為了進(jìn)一步驗證所得機(jī)理的合理性，針對86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理模擬了在多種條件下的層流火焰速度，并與曾文等[5]測量的層流火焰速度的實驗值進(jìn)行了比較。層流火焰速度模擬條件為：P=1atm，進(jìn)口溫度分別為400K、420K、450K、480K；P=3atm，進(jìn)口溫度分別為450K、480K，模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理的模擬結(jié)果趨勢均與實驗值一致，當(dāng)量比在1.1附近，層流火焰速度達(dá)到峰值；在壓力分別為1atm和3atm時，隨著進(jìn)口溫度的升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，模擬結(jié)果也準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出這一現(xiàn)象。在溫度分別為450K和480K時，隨著壓力的升高，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，這些模擬結(jié)果都與實驗數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的趨勢完全一致。所有工況中，層流火焰速度的模擬值與實驗值的最大誤差為15.6%，出現(xiàn)在T=450K、P=1atm、?=1.4條件下。在其他工況下的最大誤差均低于10%?？傮w而言，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理可以合理地描述RP-3航空煤油在多種條件下層流火焰速度的傳播特性。

2.3" 重要物種濃度的驗證

燃料燃燒反應(yīng)過程中關(guān)鍵物種濃度的驗證是檢驗燃燒機(jī)理可靠性的另一重要指標(biāo)。為了進(jìn)一步驗證得到的86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理，針對RP-3/O2/N2系統(tǒng)，選取H2、O2、CH4、CO、CO2、H2O，在射流攪拌反應(yīng)器（Jet-stirred reactor，JSR）中對機(jī)理中這些關(guān)鍵物種濃度隨溫度的變化進(jìn)行了模擬，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在JSR中的模擬條件分別是：P=0.1MPa，T=550 ～ 1100K，?=0.5、1.0，停留時間τ=2s。不同條件下物種濃度的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比如圖3所示。從圖3可以看出，這些物種濃度的演變與實驗的結(jié)果在趨勢上是一致的。在圖3（a）中，H2、O2、CH4、CO、CO2、H2O的摩爾分?jǐn)?shù)與實驗數(shù)據(jù)較為吻合。在圖3（b）中，H2在1000K附近的摩爾分?jǐn)?shù)略高于實驗值，其他物種的摩爾分?jǐn)?shù)與實驗結(jié)果的趨勢基本一致。

圖3 JSR中RP-3航空煤油和替代燃料在P = 0.1MPa，? = 0.5、1.0，τ = 2 s條件下燃燒的關(guān)鍵物種濃度的演變（（a） P = 0.1MPa，? = 0.5時物種濃度的變化；（b） P = 0.1MPa，? = 1.0時物種濃度的變化）.

2.4" 強(qiáng)制敏感度分析

為了進(jìn)一步驗證機(jī)理合理性，對86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理在壓力為1atm、當(dāng)量比為1.0、溫度分別為700K、1000K和1200K條件下，進(jìn)行了燃料的自點火強(qiáng)制敏感度分析。在這里，第i個反應(yīng)對點火延遲時間的敏感度系數(shù)定義為[33]：

[%Sensitivity=τign（2αi）-τ0ignτign（αi）×100%]" " " " " （2）

式（2）中，αi表示第i個反應(yīng)的原始速率常數(shù)，τ0ign表示原始的點火延遲時間，τign（2αi）表示第i個反應(yīng)的速率常數(shù)擴(kuò)大2倍時的點火延遲時間。若通過該式計算出的敏感度系數(shù)為正，表示該反應(yīng)一直點火；反之，則促進(jìn)點火。對86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理的強(qiáng)制敏感度分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在低溫700K時，對燃料點火抑制最大的反應(yīng)是C2H2+O2=CHO+HCHO，對點火促進(jìn)最大的反應(yīng)是s0C12H26 +OH=s2C12H25 +H2O。其他一些大分子反應(yīng)對點火也表現(xiàn)出顯著的影響，如C12OOHO2-T6=C12KET-T6+OH。在中溫1000K時，CH3+HO2=CH3O+OH是機(jī)理促進(jìn)點火最顯著的反應(yīng)，C2H3 +O2 =CHO+HCHO是對點火抑制最大的反應(yīng)。高溫1200K時，對點火有顯著影響的主要是一些小分子的反應(yīng)，其中H+O2 =O+OH、C2H4+OH=C2H3+H2O和C2H3 +O2 =CH2CHO+O對點火促進(jìn)作用最大，而C2H3 +O2 =CHO+HCHO是對抑制點火影響最大的反應(yīng)。模擬結(jié)果顯示，機(jī)理的強(qiáng)制敏感度分析可以給出合理的結(jié)果，表明86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理保留了對點火影響顯著的關(guān)鍵反應(yīng)路徑，有較好的高保真度。

2.5" 元素流動分析

為了更好地描述機(jī)理的主要物種流動通道，驗證其燃燒反應(yīng)路徑的合理性，我們針對86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理在低溫700K和高溫1200K、當(dāng)量比為1.0、壓力為10atm條件下，對配比最多的正十二烷進(jìn)行了元素流動分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在低溫700K時，機(jī)理中的s0C12H26通過氫提取反應(yīng)生成s2C12H25，在s2C12H25參與的反應(yīng)中，有54.3%的比例轉(zhuǎn)化為C12H25O2，然后C12H25O2經(jīng)過分子內(nèi)氫遷移生成C12OOH-T6，C12OOH-T6再次與O2進(jìn)行加成反應(yīng)生成C12OOHO2-T6，C12OOHO2-T6裂解生成C12KET-T6，最后C12KET-T6分解為穩(wěn)定小分子或小分子自由基；在高溫1200 K時，從圖5（b）可以看出，s0C12H26通過脫氫反應(yīng)和裂解反應(yīng)分別生成s2C12H25和s10C6H13，s2C12H25通過裂解反應(yīng)直接生成C4以下小分子，s10C6H13的主要反應(yīng)通道是通過異構(gòu)化反應(yīng)生成s34C6H13，其轉(zhuǎn)化率為68.4%，接著s34C6H13通過裂解反應(yīng)生成C4以下小分子。從元素流動分析的結(jié)果可以看出，86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理保留了主要的高溫和低溫物種及其反應(yīng)通道，使機(jī)理可靠性得到保證。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合實際航空煤油燃燒特性，針對RP-3航空煤油替代燃料骨架機(jī)理進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基環(huán)己烷和12.3%正丙基苯作為RP-3航空煤油替代燃料，同時添加正十二烷低溫反應(yīng)通道，采用敏感度分析簡化方法獲得包含低溫反應(yīng)路徑的86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理。

（2）針對86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理的點火延遲時間、層流火焰速度和關(guān)鍵物種濃度的模擬結(jié)果表明，該機(jī)理能夠較好地預(yù)測RP-3航空煤油在多個條件下的關(guān)鍵燃燒特性，且能重現(xiàn)燃料在低溫下的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)，給出合理的結(jié)果。

（3）敏感度分析和元素流動分析的結(jié)果表明，大分子碳?xì)浠衔锖拖嚓P(guān)自由基對燃料低溫自點火有顯著影響，而在高溫下影響點火的關(guān)鍵反應(yīng)集中在小分子或小的自由基參與的反應(yīng)。86物種機(jī)理保留了低溫和高溫階段的關(guān)鍵物種和反應(yīng)，進(jìn)一步說明了機(jī)理的合理性。

綜上所述，本文所提出的精度較高、尺寸較小且包含低溫反應(yīng)路徑的86個物種和318個反應(yīng)的簡化機(jī)理保留了關(guān)鍵物種及反應(yīng)路徑，可以較好預(yù)測RP-3航空煤油主要燃燒特性；該機(jī)理可用于工程尺度燃燒室數(shù)值仿真模擬，進(jìn)一步探究航空燃料在工程應(yīng)用中的實際問題，同時對建立國產(chǎn)航空煤油寬溫度范圍燃燒機(jī)理具有實際意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］馬洪安，付淑青，吳宗霖，等.RP-3航空煤油燃燒特性及其反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建綜述[J].航空發(fā)動機(jī)，2021，47（1）：25-31.

［2］LIU Y X，SANDRA R，CLEMENS N，et al.Combustion study of a surrogate jet fuel[J].Combustion and Flame，2019，202：252-261.

［3］YU Z Q，WEI S L，WU C C，et al.Development and verification of RP-3 aviation kerosene surrogate fuel models using a genetic algorithm[J].Fuel，2022，312：12285.

［4］李樹豪，席雙惠，張麗娜，等.小分子燃料對RP-3航空煤油燃燒作用的數(shù)值研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2018，39（8）：1864-1872.

［5］LIU J，HU E J，YIN G Y，et al.An experimental and kinetic modeling study on the low-temperature oxidation，ignition delay time，and laminar flame speed of a surrogate fuel for RP-3 kerosene[J].Combustion and Flame，2022，237：111821.

［6］MAO Y B，YU L，QIAN Y，et al.Development and validation of a detailed kinetic model for RP-3 aviation fuel based on a surrogate formulated by emulating macroscopic properties and microscopic structure[J].Combustion and Flame，2021，229：111401.

［7］曾文，李海霞，馬洪安，等.RP-3航空煤油模擬替代燃料的化學(xué)反應(yīng)簡化機(jī)理[J].推進(jìn)技術(shù)，2014，35（8）：1139-1145.

［8］BISETTI F.Integration of large chemical kinetic mechanisms via exponential methods with krylov approximations to jacobian matrix functions[J].Combustion Theory and Modelling，2012，16（3）：378-418.

［9］李樹豪，劉建文，李瑞，等.碳?xì)淙剂先紵龣C(jī)理的自動簡化[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2015，36（8）：1576-1587.

［10］PATTERSON P M，KYNE A G，POURKASHANIAN M，et al.Combustion of kerosene in counterflow diffusion flames[J].Journal of Propulsion and Power，2001，17（2）：453-460.

［11］DAGAUT P.On the kinetics of hydrocarbons oxidation from natural gas to kerosene and diesel fuel[J].Physical Chemistry Chemistry Physical，2002，4（11）：2079-2094.

［12］HONNET S，SESHADRI K，NIEMANN U，et al.A surrogate fuel for kerosene[J].Proceedings of the Combustion Institute，2009，32（1）：485-492.

［13］GUTIERREZ-ANTONIO C，GOMEZ-CASTRO F I，DE LIRA-FLORES J A，et al.A review on the production processes of renewable jet fuel[J].Renewable amp; Sustainable Energy Reviews，2017，79：709-729.

［14］XIAO B G，YANG S H，ZHAO H Y，et al.Detailed and reduced chemical kinetic mechanisms for RP-3 aviation kerosene combustion[J].Journal of Aerospace Power，2010，25（9）：1948-1955.

［15］LIU J，HU E J，ZHENG W，et al.A new reduced reaction mechanism of the surrogate fuel for RP-3 kerosene[J].Fuel，2023，331：125781.

［16］鄭東，于維銘，鐘北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型[J].物理化學(xué)學(xué)報，2015，31（4）：636-642.

［17］ZHONG B J，PENG H S.Development of a skeletal mechanism for aviation kerosene surrogate fuel[J].Journal of Propulsion and Power，2019，35（3）：645-651.

［18］徐佳琪，郭俊江，劉愛科，等.RP-3替代燃料自點火燃燒機(jī)理構(gòu)建及動力學(xué)模擬[J].物理化學(xué)學(xué)報，2015，31（4）：643-652.

［19］楊墨，王靜波，李象遠(yuǎn).RP-3航空煤油高溫骨架機(jī)理構(gòu)建及驗證[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2020，32（1）：106-112.

［20］PILLING M J.Low-temperature combustion and autoignition[M].England：Elsevier，1997：1-794.

［21］王慧汝，金捷.航空發(fā)動機(jī)燃燒室貧油熄火極限預(yù)測方法綜述[J].航空發(fā)動機(jī)，2014，40（5）：72-78.

［22］ZHANG C H，LI B，RAO F，et al.A shock tube study of the autoignition characteristics of RP-3 jet fuel[J].Proceedings of the Combustion Institute，2015，35（3）：3151-3158.

［23］MAO Y B，YU L，WU Z Y，et al.Experimental and kinetic modeling study of ignition characteristics of RP-3 kerosene over low-to-high temperature ranges in a heated rapid compression machine and a heated shock tube[J].Combustion and Flame，2019，203：157-169.

［24］LI A，ZHANG Z Y N，CHENG X G，et al.Development and validation of surrogates for RP-3 jet fuel based on chemical deconstruction methodology[J].Fuel，2020，267：116975.

［25］LU T F，LAW C K.A directed relation graph method for mechanism reduction[J].Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：1333-1341.

［26］PEPIOT-DESJARDINS P，PITSCH H.An efficient error-propagation-based reduction method for large chemical kinetic mechanisms[J].Combustion and Flame，2008，154（1）：67-81.

［27］NIEMEYER K E，SUNG C J.Mechanism reduction for multicomponent surrogates：a case study using toluene reference fuels[J].Combustion and Flame，2014，161（11）：2752-2764.

［28］LIU A K，JIAO Y，LI S H，et al.Flux projection tree method for mechanism reduction[J].Energy Fuels，2014，28（8）：5426-5433.

［29］WANG Q D.Skeletal mechanism generation for methyl butanoate combustion via directed relation graph based methods[J].Acta Physico-Chimica Sinica，2016，32（3）：595-604.

［30］LI R，LI S H，WANG F，et al.Sensitivity analysis based on intersection approach for mechanism reduction of cyclohexane[J].Combustion and Flame，2016，166：55-65.

［31］XI S H，XUE J，WANG F，et al.Reduction of large-size combustion mechanisms of n-decane and n-dodecane with an improved sensitivity analysis method[J].Combustion and Flame，2020，222：326-335.

［32］李軍，邵菊香，劉存喜，等.碳?xì)淙剂蠠崃呀鈾C(jī)理及化學(xué)動力學(xué)模擬[J].化學(xué)學(xué)報，2010，68（3）：239-245.

［33］WEBER B W，KUMAR K，ZHANG Y，et al.Autoignition of n-butanol at elevated pressure and low-to-intermediate temperature[J].Combustion and Flame，2011，158（5）：809-819.

責(zé)任編校：陳 強(qiáng)，裴媛慧

Development and Validation of a Surrogate Fuel Skeletal Mechanism

for RP-3 Aviation Kerosene

XI Shuanghui1， Li Haoyang1， HOU Junxing2， WANG Kunqi3， XUE jie4， LI Shuhao5*

（1. School of Mechanical Engineering，， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China;

2.School of Aerospace Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China;

3.School of Materials Science and Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China;

4.Institute of Atomic and Molecular Physics， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

5.School of Aero Engine， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：Based on the physicochemical properties and combustion conditions of real aviation kerosene，a three-component surrogate fuel containing 73% n-dodecane，14.7% 1，3，5-trimethylcyclohexane，and 12.3% n-propylbenzene is proposed in this paper.At the same time，key low-temperature reactions are added to make the surrogate model suitable for combustion performance under low-temperature conditions.A skeletal mechanism containing 86 species and 318 reactions is achieved with the sensitivity analysis （SA） reduction method.The skeletal mechanisms are further verified by comparing important combustion characteristics such as ignition delay time，laminar flame speed，and important species concentration with those of experimental data.The results showed that the 86 species mechanism can reasonably describe the key combustion characteristics of aviation kerosene.The results of element flow analysis and brute force sensitivity analysis indicate that the mechanism retains key species and reaction pathways.The mechanism has a smaller size and includes low-temperature reactions，which can be used for combustor numerical simulation of aviation engines，further exploring practical problems of aviation fuel application in engine.

Key words：RP-3 kerosene; surrogate fuel; low-temperature mechanism; mechanism reduction