基于敏感性分析的燃甲烷氧化反应简化机理

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1、基于敏感性分析的贫燃甲烷氧化反应简化机理*收稿日期：2016-6-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（51376171）作者简介：马承飚（1985－），男，江西万载人，博士研究生，E-mail：macnbo@mail.ustc.edu.cn；林其钊（通信作者），男，教授，博士，博士生导师，E-mail：qlin@ustc.edu.cn马承飚，林其钊（中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027）摘要：以GRIMECH3.0详细反应动力学机理为基础，计算了贫燃甲烷氧化时各个基元反应对关键中间组分的生产与消耗贡献，并利用敏感性分析的方法研究了甲烷氧化过程中各基元反应对整体反应速

2、率的贡献程度。在确定主反应路径的前提下，构建了包含16种组分，31步反应的甲烷氧化的简化反应动力学机理并与详细机理做了比较。该简化机理主要适用于当量比0.2以下的极端贫燃工况。关键词：简化机理；敏感性分析；GRIMECH3.0中图分类号：TK16文献标志码：　　　文章编号：Areducedmechanismforlean-fuelmethaneoxidationbasedonsensitivityanalysisMaChengbiao,LinQizhao(UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China)Abstrac

3、t:ProductionrateofimportantreactantswascalculatedthroughGRIMECH3.0mechanisminmethaneoxidation.Sensitivityanalysiswasemployedtodetermineimportantelementaryreactionsinoxidation.Areducedkineticsmechanismforleanmethaneoxidationwasbuilt,including16speciesand31steps.Simulationresultsbasedonthereduced

4、mechanismwerecomparedwiththecalculationresultsofGRIMECH3.0.Thereducedmechanismissuitableforleanfuelconditionatequivalenceratiolowerthan0.2.Keywords:reducedmechanism;sensitivityanalysis;GRIMECH3.08甲烷是在各种动力设备和石化工业中广泛应用的燃料，而且结构简单，对其氧化过程机理的研究非常丰富，其中详细反应动力学机理包括GRI-Mech3.0机理[1]、Konnov机理[2]、Leads机理[3]

5、、Williams机理[4]、Warnatz机理等[5]，主要区别在于各机理关注的重点和适用范围有不同。详细反应机理包含了大量的组分和基元反应，且各个基元反应的反应尺度相差很大，所导致的数值计算中的“刚性(stiffness)”问题，使得详细机理对计算机速度和存储量要求很高，在涉及复杂流场的耦合计算时，往往不能满足需要[6]，而总包机理不包含中间组分状况，因此能够描述主要反应过程而不消耗过多计算资源的简化机理具有重要意义。反应机理的简化首先要保证能准确地描述反应路径和反应物的燃烧特性，在预测主要组分和反应速度上具有一定的精度。在此前提下，尽量删去对反应过程没有明显影响的中间组分和基元

6、反应，从而减少计算的时间和存贮量。目前，反应机理简化的方法主要有两大类：第一类是通过敏感性分析得到各基元反应对反应过程的影响程度，删去影响不大的组分和次要基元反应，得到骨架机理，从而降低机理复杂程度[7]。该方法物理意义明确，能指出详细机理的主要反应路径，缺点是难以从数学和计算经济性角度给出最大程度的简化。另一类方法是利用数学手段简化反应机理的方法，对反应过程中量很少而反应时间尺度较大的组分作准稳态假设(Quasi-steady-stateapproximation即QSSA)[8]，其浓度可以通过主要物质的浓度以模型推算，不需求解该组分的速率微分方程，因此达到了减少求解方程数目，节

7、约计算时间的目的，包括奇异摄动理论[9]、自适应列表法[10]等方法，这类方法通用性强，容易构建非常精简的简化机理，8缺点是简化机理中包含的反应不一定是物理意义上合理的关键中间反应，而更接近于总包反应。根据这些机理简化方法，国内外研究者已构建了相当多CH4氧化过程的简化机理。如Yungster等人的19组分/52步反应的简化机理模型，该机理被应用于超音速流动中的燃烧计算[11]；董刚等人的含氮18组分/14步反应的总包简化机理，该机理在良搅拌反应器和层流预