基于敏感性分析的重油替代物简化机理

柴油机具有经济性好，可靠性高的特点，自1904年首次被应用于船舶以来，长期占据船舶推进动力装置中的统治地位。船舶营运中燃料成本占有较高比例，上个世纪石油危机时期，轻柴油价格飞涨，给船舶营运造成一定成本压力。在此背景下，经过专业人员技术革新，船用柴油机燃用重油获得成功，重燃料油简称重油

，是一种低质燃料油，由石油直馏残渣油和二次加工柴油混合而得。成分复杂，黏度高，因其价格低廉，在大功率中、低速柴油机得到推广和应用。然而，大量船舶燃用重油已对海洋和濒海地区造成环境污染，这一问题正在被更多国家和国际组织所关注，相继出台海洋环保法律和法规。

为了满足日趋严格的排放法规，开展船用柴油机重油燃烧和排放过程研究，成为提高燃料经济性和降低燃烧排放污染物的主要技术途径。利用实验台架开展船用柴油机重油燃烧过程研究，存在实验成本高，研究周期长等问题，常规做法是借助柴油机燃烧计算软件搭建三维流体动力学模型，再利用一定的实验台架数据对模型进行修正和验证，在此基础上开展重油燃烧过程研究。重油成分复杂，组分中存在较多长链和苯环结构碳氢化合物，燃烧过程受到缸内物理、化学耦合作用，中间反应路径及反应机理复杂多样，因而重油燃烧机理的研究困难多，进展相对缓慢。燃料的化学反应动力学机理模型可以较好预测点火时刻，准确描述内燃机缸内燃烧变化过程，同时可以对缸内燃烧中产生的中间物质及相关重要组分的浓度进行准确预测。但燃料的详细化学动力学机理往往包含较多的物质组分和基元反应，机理成分相对较为复杂。由于计算条件所限，燃料的化学动力学详细机理仅能依赖于较为简单的基础性燃烧试验研究，开展更为深入的研究，仍然需要借助燃料的替代物简化机理。

如上所述，构建重油替代物的化学反应动力学简化机理模型，可以降低化学反应动力学的复杂性，降低研究计算成本，在一定程度上也可以兼顾模拟精度与研究广度。本文基于重油成分，选取甲苯用来代表芳香烃化合物，正庚烷用来代表烷烃化合物，丙烯用来代表烯烃化合物。构建重油替代物机理模型。

1 机理简化

在化学动力学发展的过去几十年中，人们对于机理简化的研究已经有了一定经验基础。机理的简化整体上大致可分为两类

，第一类是根据反应或者组分的重要程度进行筛检，如敏感性分析法(SA)、直接关系图法(DRG)及发展出来的基于误差传播的直接关系图法(DRGEP)等。第二类是根据一些数学方法对详细机理进行简化，如计算奇异摄动法(CSP)、准稳态假设法(QSSA)等。本文采用第一类方法，首先通过DRGEP方法分别对详细机理进行简化，结合敏感性分析进行优化，得到简化机理。

直接关系图法，即从选定组分出发，通过分析比较其他组分与选定组分的关联性，定量的确定简化后机理与原始机理之间的着火延迟误差，去除不重要的组分及相关基元反应。但直接关系图法存在一些缺陷：在简化过程中预先设定的阈值有较强的经验性，需要多长试验；在直接关系图法中没有直接考虑每个基元反应和组分对于化学机理重要参数的影响。针对以上缺陷，在此基础上推出了基于误差传播的直接关系图法(DRGEP)，可以有效解决该问题，在实际应用中得到广泛推广。

本文采取Chemkin软件中的一维计算模块Premixed Laminar Flame-speed Calculation进行层流火焰传播速度的计算。选取温度为450K、压力为3atm的工况下对甲苯简化机理进行层流火焰传播速度计算，得到甲苯简化机理随当量比的变化情况并与详细机理进行对比。由图5对比发现，部分当量比的预测值略低于详细机理，但整体趋势良好。选取温度为298K、压力为1atm的工况下对正庚烷简化机理进行层流火焰传播速度计算，得到正庚烷简化机理随当量比的变化情况并与详细机理进行对比。由对比发现，简化机理预测值与详细机理可以大致吻合。选取温度为298K、压力为1MPa的工况下对丙烯简化机理进行层流火焰传播速度计算，得到丙烯简化机理随当量比的变化情况并与详细机理进行对比。由对比发现，简化机理预测值与详细机理基本吻合，即验证机理的合理性。

基于以上机理的简化，对简化机理从着火延迟时间、层流火焰传播速度与示功图方面进行对比验证。研究认为系统从满足临界着火条件的初始温度到燃烧发生初期点所需要的时间称为着火延迟时间

，着火延迟时间是最重要的着火特性参数。层流火焰传播速度的定义为平面火焰的火焰锋面向未燃气体方向垂直移动的速度，是燃料火焰传播特性的重要基础参数

。示功图则可以反映柴油机的燃烧特性。

1.1 甲苯机理简化

直肠检查是一种现代化的科学检查手段，在检查过程中，如果发现母牛子宫出现宫颈大并变软，子宫角坚实，子宫体积开始增大，并且伴有明显的收缩反应时，则可以断定母牛处于发情期。从科学的角度分析，发情期的母牛左右卵巢有明显的差异，产生卵泡的一侧卵巢较大，并且有突出的卵泡。该种检查在人工授精前也经常使用，判断更为精准。

1.2 正庚烷机理简化

正庚烷由于十六烷值与柴油相近，因此常被用作柴油的单组分替代物。本文研究选取正庚烷LLNL机理作为详细机理

，设置温度为800～1400K和压力为20atm为简化工况，选取NC

H

、O

、N

、CO

、H

O为目标组分。采用DRGEP方法对详细机理中的不重要组分和基元反应进行删除。同时在温度为800K、900K和当量比φ=1.0、φ=0.5的工况下甲苯进行敏感性分析，得到对温度最为敏感的10个反应。由图2敏感性分析可得，C

H

+OH=C

H

-2+H

O的正温度敏感性系数最大，C

H

=C

H

+C

H

的负温度敏感性系数最大。

1.3 丙烯机理简化

本文采取Chemkin软件中的零维均质闭式反应器模型来预测滞燃期。选取压力为4.6MPa，当量比为1.0的条件下，将本文甲苯简化机理滞燃期随温度的变化情况与详细机理进行对比。对比图如图4所示。由图中可得，整体预测值略有偏差，但均在误差范围之内，预测趋势良好。选取压力为4.2MPa，当量比为1.0的条件下，将本文正庚烷简化机理滞燃期随温度的变化情况与详细机理进行对比。由图中可得，高温区域预测值略高于详细机理，整体预测趋势较为吻合。选取压力为2MPa，当量比为1.0的条件下，将丙烯简化机理滞燃期随温度的变化情况与详细机理进行对比。由对比图可得，在低温区域和中温区域整体预测良好，高温区域略有偏差。

2 简化机理的验证

敏感性分析也叫灵敏度分析，即通过分析系统中的各个参数对系统性能的整体影响程度，根据程度值将其进行区分。在工程应用中，通过对项目进行敏感性分析，可以直观地获得系统中的各重要参数信息，便于对参数进行分析，对于系统的设计和优化有重要意义。但对于工程的这种分析，又区别与数学模型的分析。因为实际工程问题的数学模型往往都比较复杂，难以用显式函数表达式进行描述，且对于项目问题的敏感性分析也只能作为一种辅助手段。在化学动力学研究中，敏感性性分析则可以为化学反应模型的各种参数对结果的影响作出量化表达，对于实验结果的模拟和表达有重要意义。对组分与基元反应进行敏感性分析，可以判断基元反应对结算结果的影响程度，从而将对整体计算影响程度较小的基元反应去除，达到机理简化的目的。

甲苯机理现已发展较为成熟

，本文研究选取Gri-Mech 3.0的甲苯详细燃烧机理进行简化，设置温度为800～1400K和压力P=10atm为简化工况，选取C

H

CH

、O

、N

、H

O、CO

为目标组分。采用DRGEP方法对详细机理中不重要的组分和基元反应进行删除。同时在温度T=800K、当量比为0.5、1.0工况下对甲苯详细机理进行敏感性分析，得到对温度最为敏感的6个反应。如下图1所示。由图中可得，C

H

+O

=C

H

+HO

的负温度系数最大，C

H

+HO

=C

H

+CH

O+OH的正温度系数最大。

2.1 滞燃期验证

丙烯是一些高级烷烃(如丙烷、正丁烷、正庚烷和异辛烷)燃烧的重要中间产物，因为它是烷基自由基分解的产物

。本文研究选取AramcoMech机理进行简化，设置温度为800～1400K，压力P=10atm进行简化，选取C

H

、O

、N

、CO

、H

O为目标组分。采用DRGEP方法对详细机理中的不重要组分和基元反应进行删除。同时在温度为900K、1200K和当量比为1.0的工况下对丙烯进行敏感性分析，得到了对温度最为敏感的5个反应。如下图3所示，其中C

H

+OH=C

H

-a+H

O的正温度敏感性系数最大，C

H

+O

=CH

CO+HCO的负温度敏感性系数最大。

2.2 层流火焰速度验证

图6给出了弹丸超高速侵彻中厚靶引起的靶板中的波系作用。反射的稀疏波与入射冲击波相互作用后，靶内出现负压区，随着反射稀疏波向靶的深部传播，负压将会逐渐增大，当负压达到靶的动态拉伸强度时，将会形成层裂片并从靶体向外抛出。根据冲击波强度及靶板厚度的不同，可以形成一块或多块层裂片。如果最终的坑底位置与层裂片位置重合，则被定义为“弹道极限条件”。

2.3 示功图验证

上述验证从化学动力学层面对机理进行了验证，为获得进一步验证，需要将发动机的实际燃烧数据与简化机理的数值模拟结果进行对比。在本次验证中，本文利用CONVERGE软件来模拟发动机的燃烧特性。根据7S60船用发动机燃烧室实际尺寸进行构建燃烧室模型，该船机有效压缩比为16。计算初始时刻缸内温度为320K，缸内压力为0.3MPa。为节约计算时间，模拟计算从排气阀关闭到排气阀开启这段时间。对比示功图如下图6所示。由图可得，模拟曲线存在一定误差，但整体拟合趋势良好。存在误差原因如下，本次模拟将仿真系统看成绝热系统，会忽略掉一部分气缸漏气和真实工作状态的传热损失等问题；且模拟机理与实际燃料存在一定误差。

李晓晨（2000）认为在学习动物学时要记住两个原则：一是生物体与环境统一的原则，二是结构与功能统一的原则。因此，有内在联系的动物和动物所发出的行为动作以及他们所生活的环境等词汇，常会同时出现在动物学英语篇章中。此时通过使用搭配的词汇衔接手段，使相关词项在英语篇章中形成语义场，加强句子之间的语义联系，可以达到使篇章连贯的效果。

⑦地方政府确保投入。地方各级政府要将水土保持治理经费列入当年年度财政预算，并随着财政收入好转逐步增加水土保持工作经费。根据规划，每年市和县级财政应当安排治理水土流失生态修复投资1 000万元以上，确保目标任务的全面完成。

3 结论

本文根据重油组分分别选取甲苯、正庚烷、丙烯作为芳香烃化合物、烷烃化合物、烯烃化合物的代表物质，通过采用DRGEP对其进行简化，结合敏感性分析，得到简化机理。随后对简化机理进行滞燃期与层流火焰速度的验证，验证机理的合理性，将其耦合得到121组分、700基元反应的重油替代物简化机理模型，最后进行示功图验证，验证机理的合理性。

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