汽油PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建研究

劉凱敏，鄂加強(qiáng)，楊靖，馬寅杰，楊漢乾，羅武生

（1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410082；2.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

汽油表征燃料的研究是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的熱門(mén)話題，即選取少數(shù)幾種代表性的成分來(lái)表征汽油理化特性和燃燒反應(yīng)特性.當(dāng)前，越來(lái)越多的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法被用來(lái)研究汽油燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.在進(jìn)行缸內(nèi)多維燃燒計(jì)算時(shí)，由于詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，且計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理是研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的重要方法.

汽油表征燃料中包含異辛烷和正庚烷兩種主要成分的基礎(chǔ)參考燃料（PRF）常用來(lái)表征不同辛烷值的汽油.在PRF 氧化機(jī)理的研究中，何邦全等人［1］通過(guò)溫度敏感性分析，構(gòu)建了一個(gè)可以合理描述燃料高溫反應(yīng)過(guò)程的PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并模擬研究了不同殘余廢氣率下正庚烷和異辛烷的高溫反應(yīng)路徑.Ra 和Reitz［2］利用反應(yīng)速率常數(shù)優(yōu)化的方法對(duì)PRF 詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，該機(jī)理模擬結(jié)果與激波管、HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)和缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了良好的一致性.Tsurushima［3］構(gòu)建了一個(gè)適用HCCI燃燒的PRF骨架模型，在不同壓力、當(dāng)量比和辛烷值的條件下，該模型對(duì)滯燃期的預(yù)測(cè)效果良好，并且可以較好地預(yù)測(cè)HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率.Selim等人［4］詳細(xì)分析了PRF84（異辛烷的體積百分?jǐn)?shù)為84%，正庚烷的體積百分?jǐn)?shù)為16%）的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理路徑，詳細(xì)闡述了造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果存在差異的原因，并給出了提高反應(yīng)機(jī)理準(zhǔn)確性的方法.Rezgui［5］利用數(shù)值仿真方法，研究了HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在1200 r/min 和進(jìn)氣壓力為1 bar 的工作條件下，不同氫氣添加比對(duì)PRF85燃燒特性的影響.

通過(guò)汽油PRF 簡(jiǎn)化模型的回顧不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的汽油PRF 簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)機(jī)理，很少考慮重要組分演變和層流火焰速度的變化，多數(shù)僅通過(guò)了滯燃期的驗(yàn)證.然而，對(duì)于實(shí)際點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，層流火焰速度的大小是缸內(nèi)氣體流動(dòng)、燃燒初始條件和可燃混合氣性質(zhì)綜合效應(yīng)的體現(xiàn)［6］，是燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可靠性的驗(yàn)證指標(biāo)［7］.另外，在燃料燃燒各類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器中，關(guān)鍵組分的變化過(guò)程與燃油消耗率、燃燒放熱率以及發(fā)動(dòng)機(jī)最終排放物息息相關(guān).為了獲得不僅能夠準(zhǔn)確描述汽油燃料著火階段，也可以更加準(zhǔn)確地反映火焰前鋒面發(fā)展、燃料燃燒放熱和排放物生成特性的汽油表征燃料簡(jiǎn)化模型，本文將利用反應(yīng)路徑分析和敏感性分析方法對(duì)異辛烷和正庚烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)“半解耦”思想，構(gòu)建包含41種組分和131個(gè)反應(yīng)的PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)基礎(chǔ)反應(yīng)器包括激波管（ST）、一維層流火焰速度（LFS）和射流攪拌器（JSR）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.

1 汽油PRF簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 仿真工具及機(jī)理的選擇

本文采用的仿真工具為美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并推出的CHEMKIN PRO 大型氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序.異辛烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型采用最為著名的LLNL 實(shí)驗(yàn)室Curran 等人提出的詳細(xì)氧化模型［8］，涉及857 種組分和3606 個(gè)基元反應(yīng).該模型包括所有與低溫化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高溫化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，已經(jīng)被用在射流攪拌器、流動(dòng)反應(yīng)器、激波管和某一摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)等反應(yīng)器中研究異辛烷的氧化過(guò)程.

在進(jìn)行異辛烷氧化過(guò)程的分析中，由于燃料的氧化燃燒過(guò)程受溫度、壓力及當(dāng)量比的影響很大，因此需要在多種工況下研究燃料的氧化過(guò)程.限于文章篇幅，本文選用Dec 等人［9］使用異辛烷作為燃料的單缸HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，此發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為18，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為0.98 L.選用燃空當(dāng)量比為0.26，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200 r/min，初始?jí)毫统跏紲囟葹?20 kPa 和395 K 的工況條件為例，討論異辛烷詳細(xì)機(jī)理模型的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程.

1.2 異辛烷詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化

1.2.1 低溫反應(yīng)階段

在化學(xué)反應(yīng)剛開(kāi)始的低溫區(qū)域，燃料的消耗由異辛烷（iC8H18）和氧氣直接發(fā)生反應(yīng)開(kāi)始，并放出部分熱量.圖1 給出了異辛烷與氧氣的化學(xué)反應(yīng)速率.由圖可知，異辛烷氧化平均反應(yīng)速率最大的反應(yīng)為R3167 和R3169，分別生成同分異構(gòu)體aC8H17和cC8H17.燃料與氧氣的直接反應(yīng)屬于低溫反應(yīng)階段的一種脫氫反應(yīng).

圖1 異辛烷氧化反應(yīng)速率Fig.1 The oxidation reaction rate of iso-octane

參與脫氫反應(yīng)的自由基主要包括H、OH、O、CH3、HO2、H2O2、CH3O、C2H5、C2H3等.其中，在低溫反應(yīng)階段，HO2在所有脫氫自由基中摩爾分?jǐn)?shù)最大（見(jiàn)圖2），HO2與異辛烷反應(yīng)生成辛烷基以及在高溫反應(yīng)中起重要作用的H2O2.圖3給出了異辛烷與HO2的反應(yīng)速率，有較大反應(yīng)速率的兩個(gè)脫氫反應(yīng)依次為R3159、R3161.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，自由基OH 也大量生成且遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他脫氫自由基.

圖2 異辛烷脫氫自由基摩爾分?jǐn)?shù)Fig.2 The dehydrogenation free radicals of iso-octane

圖3 異辛烷與HO2脫氫反應(yīng)速率Fig.3 The dehydrogenation rate of iso-octane with HO2

圖4 給出了異辛烷與OH 自由基脫氫反應(yīng)的溫度敏感性分析.本文中燃料（異辛烷或正庚烷）氧化反應(yīng)的分析在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)模型中進(jìn)行，反應(yīng)的敏感性系數(shù)為負(fù)，代表該反應(yīng)的發(fā)生有利于燃料的氧化分解，反應(yīng)顯示較高的負(fù)敏感性系數(shù)，則意味著加大該反應(yīng)速率能大大提高系統(tǒng)的反應(yīng)活性；反之反應(yīng)的敏感性系數(shù)為正，代表該反應(yīng)對(duì)燃料的氧化分解起抑制作用.由圖4可知，R3151在四個(gè)異辛烷與OH脫氫反應(yīng)中敏感性系數(shù)最大，并生成aC8H17，這說(shuō)明aC8H17是最重要的脫氫產(chǎn)物，這與圖5 中異辛烷與OH的反應(yīng)路徑分析結(jié)果一致.為了盡可能的減少基元反應(yīng)數(shù)目，本文選用aC8H17作為唯一的脫氫產(chǎn)物，對(duì)應(yīng)的脫氫反應(yīng)為：

圖4 異辛烷與OH脫氫反應(yīng)的溫度敏感性分析Fig.4 The temperature sensitivity analysis of dehydrogenation reaction of iso-octane with OH

圖5 異辛烷與OH脫氫反應(yīng)速率Fig.5 The dehydrogenation rate of iso-octane with OH

選定aC8H17作為唯一的脫氫產(chǎn)物后，其對(duì)應(yīng)的第一次加氧反應(yīng)為R3216，生成aC8H17O2.隨后第一次加氧產(chǎn)物生成4 種C8H16OOH 同分異構(gòu)化產(chǎn)物，圖6 給出了aC8H17O2同分異構(gòu)化反應(yīng)的溫度敏感性分析.其中，R3266 和R3267 對(duì)aC8H17O2的同分異構(gòu)化影響最大，分別生成aC8H16OOH-a、aC8H16OOH-b，有助于燃料的低溫氧化.然而，aC8H17O2生成aC8H16OOH-c、aC8H16OOH-d 的同分異構(gòu)化反應(yīng)敏感性系數(shù)很小，且R3268 對(duì)燃料氧化起抑制作用.因此，選擇敏感性系數(shù)最大的R3266 作為aC8H17O2的同分異構(gòu)化反應(yīng).

圖6 第一次加氧產(chǎn)物C8H17O2發(fā)生同分異構(gòu)化的溫度敏感性分析Fig.6 The temperature sensitivity analysis of the isomerization reaction of the first oxygenated product C8H17O2

中間產(chǎn)物aC8H16OOH-a 確定后，對(duì)應(yīng)的第二次加氧反應(yīng)為R3298.第二次加氧產(chǎn)物經(jīng)歷兩次分解反應(yīng)，釋放出OH 自由基，這是低溫反應(yīng)階段OH 自由基的主要來(lái)源.第二次加氧反應(yīng)及其對(duì)應(yīng)的兩次分解反應(yīng)分別為：

1.2.2 負(fù)溫度系數(shù)區(qū)

隨著溫度的升高，C8H16OOH 各同分異構(gòu)體進(jìn)行第二次加氧反應(yīng)逐漸減弱，系統(tǒng)的整體反應(yīng)速率下降，化學(xué)反應(yīng)鏈轉(zhuǎn)向C8H16OOH 的分解反應(yīng).通過(guò)分析C8H16OOH 各同分異構(gòu)體的分解反應(yīng)路徑，理論上C8H16OOH分解生成烯烴和HO2的反應(yīng)路徑對(duì)系統(tǒng)的整體反應(yīng)速率抑制作用最大，但是異辛烷氧化詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理中，沒(méi)有給出C8H16OOH 的同分異構(gòu)體aC8H16OOH-a 分解生成烯烴和HO2的反應(yīng).因此，本文選擇aC8H16OOH-a 分解生成小分子烯烴、醛和OH的反應(yīng)R3378，表現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)區(qū)的主要反應(yīng)特征.

1.2.3 高溫反應(yīng)階段

在高溫反應(yīng)階段，第一次加氧反應(yīng)C8H17O2<=>C8H17+O2的平衡狀態(tài)變得越來(lái)越重要，平衡狀態(tài)從形成第一次加氧產(chǎn)物C8H17O2的方向，向C8H17O2分解為C8H17和O2的方向轉(zhuǎn)移，高溫反應(yīng)鏈進(jìn)一步轉(zhuǎn)向辛烷基C8H17的分解.對(duì)于選定的唯一脫氫產(chǎn)物aC8H17，詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理中包含R3179、R3180 兩個(gè)裂解反應(yīng)和R3365、R3366 兩個(gè)同分異構(gòu)化反應(yīng).由于高溫條件下辛烷基裂解成小分子烷烴基和烯烴基所需的活化能比裂解成大分子烴基少，小分子組分生成量比大分子組分多，因此，選擇R3180 作為辛烷基的分解反應(yīng).

圖7 給出了H2O2主要反應(yīng)路徑.由圖可見(jiàn)，H2O2的主要生成反應(yīng)按反應(yīng)速率由大到小排列依次為R50、R54，其中R50 中H2O2由兩個(gè)HO2分子結(jié)合生成，HO2自由基主要來(lái)源于以下兩方面：其一，在負(fù)溫度系數(shù)階段，C8H16OOH 各同分異構(gòu)體發(fā)生分解反應(yīng)，生成大量HO2；其二，在高溫反應(yīng)階段，R46 對(duì)HO2自由基的生成起主導(dǎo)作用，如圖9 所示的HCO自由基主要反應(yīng)路徑可見(jiàn)，在高溫反應(yīng)的第一階段，HCO 自由基的主要消耗反應(yīng)為R46，HCO 被氧化生成大量的HO2和CO，HO2在此階段非?；钴S并通過(guò)R50、R54 等反應(yīng)被逐漸消耗生成H2O2.對(duì)H2O2的主要消耗反應(yīng)依次為R51、R537.

圖7 H2O2主要反應(yīng)路徑Fig.7 The main reaction path of H2O2

如圖2 所示，對(duì)燃料分子氧化最為重要的自由基OH在高溫反應(yīng)階段大量生成，各組分間化學(xué)反應(yīng)加劇，使燃燒放熱率增大，缸內(nèi)燃燒溫度也急劇上升至最大值.圖8 給出了OH 自由基主要反應(yīng)路徑.在高溫反應(yīng)第一階段，R51 具有最高的羥基生成速率，該反應(yīng)所需活化能較高，在缸內(nèi)溫度升高至1060 K時(shí)才能發(fā)生，為吸熱反應(yīng)；羥基最重要的消耗反應(yīng)為R32.在高溫反應(yīng)的第二階段，生成OH 自由基主要的基元反應(yīng)依次為R10、R8，此類反應(yīng)所需的活化能更高，通常需要缸內(nèi)溫度上升至1200 K時(shí)才會(huì)進(jìn)行；此階段OH自由基主要的消耗反應(yīng)依次為R7、R49.

圖8 OH自由基主要反應(yīng)路徑Fig.8 The main reaction path of OH free radical

圖9 給出了HCO 自由基的主要反應(yīng)路徑.由圖可知，HCO 主要通過(guò)CH2O 與OH 的反應(yīng)R32 生成，其主要的消耗反應(yīng)依次為R46、R12.R46 中HCO 通過(guò)進(jìn)行氧化反應(yīng)生成CO，R12 中HCO 通過(guò)吸熱分解為H 和CO.

圖9 HCO自由基主要反應(yīng)路徑Fig.9 The main reaction path of HCO free radical

異辛烷氧化的高溫反應(yīng)開(kāi)始后，CH2O 的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸達(dá)到最大值，在高溫反應(yīng)第一階段結(jié)束時(shí)減小至零，隨后CO 的摩爾分?jǐn)?shù)也快速上升達(dá)到峰值.隨著燃料被完全氧化，CO 逐漸轉(zhuǎn)化為CO2，此過(guò)程伴隨著大量的光和熱，所以高溫反應(yīng)第二階段通常被稱作熱焰反應(yīng)階段.由圖10 所示的CO 主要反應(yīng)路徑可知，CO 通過(guò)反應(yīng)R7 生成CO2的反應(yīng)速率最大，因此羥基是降低CO含量的關(guān)鍵自由基.

圖10 CO主要反應(yīng)路徑Fig.10 The main reaction path of CO

通過(guò)上述對(duì)異辛烷燃料在低溫反應(yīng)階段、負(fù)溫度系數(shù)區(qū)和高溫反應(yīng)階段的基本反應(yīng)鏈以及所涉及的中間產(chǎn)物反應(yīng)路徑分析，本文繪制了異辛烷簡(jiǎn)化機(jī)理的主要反應(yīng)路徑，如圖11 所示.值得注意的是，限于文章篇幅，本文沒(méi)有詳細(xì)列出其余主要中間產(chǎn)物的反應(yīng)路徑簡(jiǎn)化過(guò)程.比如，在低溫反應(yīng)階段，R3367 中iC8KETaa 分解生成CH2O、dC6H12CHO-d 和OH，其中dC6H12CHO-d 是重要的中間產(chǎn)物，找出dC6H12CHO-d 反應(yīng)路徑上逐步生成小分子組分的關(guān)鍵反應(yīng)顯得尤為重要.dC6H12CHO-d 主要通過(guò)反應(yīng)R3433 消耗生成iC3H5CHO 和iC3H7，而iC3H5CHO 的主要消耗反應(yīng)為R1510，生成iC3H5CO 和H2O.在高溫反應(yīng)階段，選擇R3180：aC8H17<=>iC4H8+iC4H9作為辛烷基的分解反應(yīng).對(duì)于iC4H9，其主要生成反應(yīng)為R3180，并通過(guò)反應(yīng)R262 消耗生成C3H6和CH3.對(duì)于另一個(gè)分解產(chǎn)物iC4H8，其主要消耗路徑為R213，在此反應(yīng)中iC4H8與OH 自由基發(fā)生脫氫反應(yīng)生成iC4H7.因此，異辛烷簡(jiǎn)化機(jī)理中主要中間產(chǎn)物的反應(yīng)路徑可根據(jù)圖11，并結(jié)合本文選用的反應(yīng)路徑分析和敏感性分析方法分析得出.

圖11 異辛烷簡(jiǎn)化機(jī)理的主要反應(yīng)路徑Fig.11 The main reaction path of iso-octane reduced mechanism

1.3 正庚烷詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化

對(duì)正庚烷的詳細(xì)氧化機(jī)理研究，最為著名的仍是LLNL 實(shí)驗(yàn)室的Curran 等人提出的正庚烷詳細(xì)氧化模型［10］，該機(jī)理給出了正確的燃燒氧化速率和化學(xué)反應(yīng)路徑，預(yù)測(cè)結(jié)果已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證.Tsurushima［3］曾指出異辛烷與正庚烷具有相似的燃燒氧化過(guò)程，本文在對(duì)異辛烷詳細(xì)氧化機(jī)理進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，同樣分析了正庚烷燃燒氧化的主要反應(yīng)路徑和重要中間產(chǎn)物，并得出了與Tsuru?shima 等人相同的結(jié)論.由于研究分析方法與1.2 節(jié)相同，為了節(jié)省文章篇幅，本文沒(méi)有詳細(xì)列出正庚烷氧化的研究過(guò)程.

1.4 PRF簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

通過(guò)對(duì)比多種化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化機(jī)理構(gòu)建方法發(fā)現(xiàn)，Liu 等人［11］提出的“半解耦”思想，能夠?qū)﹃P(guān)鍵組分及層流火焰速度的演變過(guò)程作出良好的預(yù)測(cè)，該方法具體描述為：將詳細(xì)和普適的H2/CO/C1～Cn小分子機(jī)理（n取1、2 或者3）作為整個(gè)機(jī)理的“內(nèi)核”，以準(zhǔn)確計(jì)算燃料在高溫階段的火焰?zhèn)鞑ヌ匦约盎瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程；將燃料低溫階段的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，與“內(nèi)核”機(jī)理進(jìn)行耦合，以模擬燃料的著火特性.在構(gòu)建包含多組分燃料的骨架模型時(shí)，可以以可靠的“內(nèi)核”機(jī)理作為基礎(chǔ)，通過(guò)簡(jiǎn)化不同組分燃料的低溫反應(yīng)機(jī)理并調(diào)整其化學(xué)反應(yīng)常數(shù)，從而對(duì)滯燃期、層流火焰速度和關(guān)鍵組分的變化等特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè).

本文構(gòu)建的PRF 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型，涉及異辛烷和正庚烷兩種燃料組分.根據(jù)“半解耦”思想，本文選用Liu模型［11］中C0～C1的小分子機(jī)理作為PRF 燃料的“內(nèi)核”，選擇“內(nèi)核”機(jī)理后，C0～C1 的小分子機(jī)理無(wú)需修改，只需要在“內(nèi)核”機(jī)理基礎(chǔ)上，構(gòu)建并添加PRF 燃料兩種成分的低溫反應(yīng)和大分子向小分子的過(guò)渡反應(yīng).選用Patel 等人［12］的C2～C3 的子機(jī)理作為過(guò)渡機(jī)理，這是由于該機(jī)理已經(jīng)被證實(shí)具有很好的實(shí)用性和可靠性，且機(jī)理規(guī)模很小，僅包含C2H3、C2H4、C3H4、C3H5、C3H6和C3H7六種組分.結(jié)合本文對(duì)異辛烷和正庚烷的低溫反應(yīng)及大分子向小分子的過(guò)渡反應(yīng)的簡(jiǎn)化，最終構(gòu)建了包含41 種組分和131個(gè)反應(yīng)的PRF簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

2 汽油PRF簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

2.1 激波管的驗(yàn)證

在驗(yàn)證本文所構(gòu)建PRF 簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性時(shí)，使用在激波管中計(jì)算的滯燃期與Fieweger 等人［13］和Ciezki 等人［14］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.限于文章篇幅，本節(jié)僅列出某一組分或組分間混合物的對(duì)比結(jié)果，如無(wú)特殊說(shuō)明，各組分比例是指液體體積分?jǐn)?shù).在PRF 基礎(chǔ)燃料中，若異辛烷的體積百分?jǐn)?shù)為80%，正庚烷的體積百分?jǐn)?shù)為20%，則該燃料簡(jiǎn)寫(xiě)為PRF80.為了方便表述，本文圖例中使用Exp和Cal分別表示文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值和本文所構(gòu)建的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算值.

圖12～圖14 分別給出了本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型中異辛烷、正庚烷及其兩種組分的混合物在不同邊界條件以及混合濃度下的滯燃期預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比.由圖可知，新構(gòu)建的PRF簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的滯燃期計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了很好的一致性，能夠很好地預(yù)測(cè)燃料氧化的負(fù)溫度系數(shù)行為，計(jì)算值稍微偏離試驗(yàn)值的主要原因是由于內(nèi)核機(jī)理中涉及H、H2、CH3和CH4反應(yīng)的簡(jiǎn)化所致［3］.

圖12 異辛烷在激波管中滯燃期的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值［13］的對(duì)比Fig.12 The ignition delay comparison between calculated value and experimental data of iso-octane in ST

圖13 正庚烷在激波管中滯燃期的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值［14］的對(duì)比Fig.13 The ignition delay comparison between calculated value and experimental data of n-heptane in ST

圖14 PRF燃料在激波管中滯燃期的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值［13］的對(duì)比Fig.14 The ignition delay comparison between calculated value and experimental data of PRF in ST

2.2 一維層流火焰速度的驗(yàn)證

圖15 給出了本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型中正庚烷或異辛烷燃料在空氣中燃燒的層流火焰速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相關(guān)模型的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)在初始溫度298 K、壓力0.1 MPa 條件下開(kāi)展.可以看出，利用本文構(gòu)建的PRF簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)機(jī)理計(jì)算的層流火焰速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，盡管圖15b 中異辛烷的層流火焰速度計(jì)算值仍然偏高，但相比其它模型計(jì)算值已經(jīng)有了很大改善.

圖15 層流火焰速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.15 The LFS comparison between simulation results and experimental values

2.3 射流攪拌器的驗(yàn)證

圖16 給出了本文構(gòu)建PRF 機(jī)理中的正庚烷或異辛烷在射流攪拌器中摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算值與Dagaut 等人［18］實(shí)驗(yàn)值對(duì)比.試驗(yàn)在當(dāng)量比為1.0、溫度范圍550～1150 K、壓力為1.0 MPa 條件下進(jìn)行，并采用氮?dú)鈱?duì)燃料稀釋.由圖可知，在機(jī)理規(guī)模的大大簡(jiǎn)化的情況下，雖然CO 計(jì)算值與試驗(yàn)值略有不同，但在不同當(dāng)量比下，本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理中的正庚烷或異辛烷模型仍能比較準(zhǔn)確的擬合試驗(yàn)結(jié)果，并反映組分的變化趨勢(shì).同時(shí)，燃料分子摩爾分?jǐn)?shù)在NTC區(qū)域的變化趨勢(shì)也與試驗(yàn)值比較接近.除當(dāng)量比1.0 以外，Dagaut 等人［18］的試驗(yàn)值也涉及當(dāng)量比分別為0.5 和1.5、溫度范圍550～1150 K、壓力為1.0 MPa 的實(shí)驗(yàn)條件，利用本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)重要組分摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)，與這兩種當(dāng)量比條件下的實(shí)驗(yàn)值同樣體現(xiàn)了較好的一致性，限于文章篇幅，本文沒(méi)有給出相應(yīng)圖例.

圖16 射流攪拌器中摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.16 The species mole fraction comparison between simulation results and experimental values in JSR

3 結(jié)論

1）根據(jù)“半解耦”思想，本文選用Liu 模型［11］中C0～C1 的小分子機(jī)理作為PRF 燃料的“內(nèi)核”，選用Patel 等人［12］的C2～C3 的子機(jī)理作為過(guò)渡機(jī)理，利用反應(yīng)路徑分析和敏感性分析方法對(duì)異辛烷、正庚烷的大分子反應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并組合構(gòu)建了包含41 種組分和131個(gè)反應(yīng)的PRF簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

2）結(jié)合本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，選擇不同液體體積分?jǐn)?shù)組分燃料作為實(shí)際汽油的表征，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：本文構(gòu)建的PRF 簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型很好地通過(guò)了激波管、一維層流火焰速度和射流攪拌器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料的滯燃期，而且可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)反應(yīng)中重要中間組分、自由基濃度和層流火焰速度的發(fā)展趨勢(shì).