RP-3航空煤油替代燃料骨架机理开发及验证

摘 要：基于航空煤油理化特性及燃烧条件，选取质量分数分别为73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基环己烷、12.3%正丙基苯作为RP-3航空煤油的替代燃料，同时添加关键低温反应通道，使替代模型能够满足宽范围条件下的燃烧性能。采用敏感度分析简化方法得到包含86个物种和318个反应的骨架机理。利用Chemkin-Pro模拟了机理在多种工况下的点火延迟时间、层流火焰速度和重要物种浓度，并与实验数据进行对比验证，结果表明86个物种和318个反应的简化机理能够较好描述航空煤油的关键燃烧特性。元素流动分析和强制敏感度分析的结果表明，机理保留了关键物种和反应路径，具有较高保真度。该机理尺寸较小且包含低温反应通道，可用于航空发动机燃烧过程数值模拟，进一步探究航空燃料在工程应用中的实际问题。

关键词：RP-3航空煤油； 替代燃料； 低温机理； 机理简化

中图分类号：V312 " 文献标识码：A " 文章编号：1007 - 9734 （2024） 06 - 0038 - 08

0 引 言

航空燃料的燃烧为飞行器的飞行提供了必需的动力，同时也增加了污染物的排放量。目前，如何提高燃料的燃烧效率同时降低污染组分的排放仍是航空发动机燃烧室设计面临的首要问题。航空发动机燃烧室中燃料的燃烧涉及流动、化学反应、传热传质等，是一个非常复杂的湍流化学反应过程[1]。要深入研究这些问题，通常需要可靠的燃料燃烧化学反应机理。将化学反应机理与计算流体力学（CFD）耦合在一起进行燃烧数值仿真模拟，为研究航空发动机的燃烧过程和污染物形成提供了一种行之有效的方法，不仅有助于优化航空发动机燃烧室的设计，探索污染组分的形成机理，而且显著降低了研究成本。

实际的航空煤油成分非常复杂，由烷烃、环烷烃和芳烃等成百上千种碳氢化学物组成，平均碳原子数为10 ～ 16个，想要得到能够同时描述航空燃料中每一个组分燃烧的详细化学反应动力学机理几乎是不可能的[2-4]。另外，各种航空煤油的原料来源和生产地区的不同导致其在成分上有显著差异，这很可能导致不同航空煤油具有不同的燃烧行为。在针对航空煤油这些较为复杂的混合物构建燃烧反应机理时，通常选择替代组分来代替和模拟目标燃料的燃烧特性[5-7]。替代燃料通常是几种烃化合物的混合物，通过调节相对浓度，使得替代燃料的主要物理和化学性质接近于实际航空燃料。在对替代燃料进行机理构建时，为了能可靠描述燃料燃烧过程，且能适用于宽工况的燃烧条件，所构建的详细机理通常包含太多的物种和反应。这样的详细机理可以帮助理解单组分燃料的燃烧过程，还有助于深入了解复杂混合物的燃烧行为。但是，这种庞大、复杂的详细机理给燃烧数值仿真模拟带来了巨大的困难和挑战。高反应性自由基的存在使机理中的各物种和反应的化学时间尺度存在很大差异，这导致化学反应的微分方程具有显著刚性[8-9]。在航空发动机三维CFD燃烧数值模拟中，一般只能使用高度简化的燃烧反应机理。

国外一些课题组针对Jet-A、Jet-A1、JP-8和JP-10等航空煤油替代模型进行了广泛的研究并开发了它们的燃烧反应机理[10-13]。目前，我国多个课题组也针对国产RP-3航空煤油开发了一系列替代模型机理。肖保国等[14]提出了摩尔比为79∶13∶8的正癸烷、三甲基环己烷和正乙基苯的三组分RP-3替代燃料模型，并开发了包含109个物种、946个反应的燃烧机理。曾文等[15]构建了摩尔比分别为10∶14∶30∶36∶10的正十二烷、正癸烷、异十六烷、甲基环己烷和甲苯所组成的五组分替代燃料机理，通过机理简化得到121个物种和469个反应的骨架机理。钟北京等[16]在2015年构建了摩尔分数分别为40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代模型机理，该机理包含168个物种和1089个反应，还对该机理进行了点火延迟时间和层流火焰速度的验证，能得到合理的结果。随后又选取摩尔分数分别为65%正十二烷，10%正十四烷和25%十氢化萘作为替代燃料，提出包含50个物种和274个反应的航空煤油替代燃料高温机理[17]，但是他们仅用层流火焰速度验证了此机理，这个机理对点火延迟时间的描述方面还需要进一步考察。徐佳琪等[18]通过色/质联用手段检测了RP-3航空煤油样品的组成，并选择质量分数分别为73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基环己烷和12.3%正丙基苯作为替代燃料，开发出包含2237个物种和7959个反应的替代燃料高温详细机理，通过简化得到138个物种和530个反应的框架机理，并进行了点火延迟时间的验证，得到合理的结果。杨墨等[19]提出了质量分数分别为74.24%正癸烷，14.11%1，3，5-三甲基环己烷和11.65%正丙基苯三组分航空煤油替代燃料高温详细机理，该替代模型机理包含79个物种和311个反应，但是平均分子量低于实际航空煤油。

虽然基于实际航空燃料已经开发出一些小尺寸替代模型燃烧反应机理，但是这些机理都局限于高温燃烧反应 （初始温度大于1000 K），高温燃烧中的关键反应通常是一些小分子的反应，而低温燃烧中的关键反应涉及过氧化烷基自由基的反应，这些高温机理都不包括这类反应，因此无法可靠描述燃料在低温下的重要燃烧行为。初始燃烧温度为600 ～1000K时，燃烧过程以中低温燃烧反应为主，同时中低温燃烧是降低氮氧化物等污染物排放、实现清洁燃烧的关键，而且低温阶段的氢过氧烷基（∙ROOH）及其自由基在燃料的低温冷焰中起着关键作用[20]。此外，当点火温度在650 ～ 900K之间时，可能会出现点火延迟时间的负温度系数效应（Negative temperature coefficient，NTC）现象。另外，在航空发动机的设计中贫油熄火也是需要解决的重要问题，在贫油熄火极限附近，燃烧温度较低，低温燃烧反应路径也起着重要作用[21]。然而，目前针对航空煤油替代燃料低温燃烧机理的研究还比较缺乏。

张昌华等[22]在当量比ϕ=0.2 ～ 2.0、压力P=1 ～ 20 atm，不同温度下采用反射激波管测量了RP-3/空气混合物燃烧的点火延迟时间。其中，在ϕ=1.0、P=10 atm条件下，测量了燃料的低温点火特性，能合理描述煤油燃烧的负温度系数效应。吕兴才等[23-24]基于四组分替代物开发了包含3065个物种和11 898个反应的燃烧反应动力学详细机理，并对此机理进行了点火延迟时间的验证，能合理描述RP-3航空煤油的负温度系数效应。该机理虽然含有低温燃烧反应路径，但由于包含太多物种，没有对层流火焰速度等其他较为重要的燃烧性能进行验证。开发包含低温燃烧反应路径的小尺寸航空煤油替代燃料机理仍是重要研究内容。

尽管许多研究人员已经开发一些机理简化方法[25-31]，可在保持机理精度下对详细机理开展简化，但如果直接从复杂的能可靠描述低温燃烧过程的详细机理出发，要得到可靠的能描述低温燃烧的简化机理仍是非常困难的。需要基于航空煤油构建替代模型的骨架机理，而不是庞大的详细机理，采用机理简化方法进一步简化骨架机理，获得可用于CFD数值模拟的物种数更少的机理。

针对以上问题，本项工作基于徐佳琪等针对RP-3航空煤油提出的质量分数分别为73%正十二烷，14.7％1，3，5-三甲基环己烷和12.3％正丙基苯的三组分替代燃料及燃烧反应骨架机理，通过添加替代燃料的低温燃烧反应通道，首先构建了包含143个物种的替代燃料机理，再进一步采用敏感度分析简化方法对143个物种机理开展简化，最终获得含86个物种和318个反应的且能适用于宽温度、宽工况范围的RP-3航空煤油替代燃料燃烧反应简化机理。

1 RP-3替代燃料机理构建和简化

1.1" RP-3替代燃料机理构建

四川大学燃烧动力学中心针对RP-3航空煤油燃烧反应机理开发方面开展了卓有成效的工作，设计了质量分数分别为73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基环己烷和12.3%正丙基苯作为替代燃料。同时，采用机理自动生成程序ReaxGen[32]和物质产物分析及近似轨迹优化算法简化方法，最终得到包含138个物种和530个反应的骨架机理，该机理能合理描述燃料高温自点火特性[18]。

138个物种机理的替代模型其相对分子质量等物理化学性质比较接近实际航空煤油，但所含物种数较多。本研究结合实际航空煤油理化特性，基于138个物种机理中各替代组分的配比及化学反应，同时参考吕兴才等[23]提出的RP-3航空煤油替代燃料详细机理中正十二烷关键燃烧反应，添加了正十二烷的主要低温反应通道。由于本研究的替代组分中正十二烷占比最高，因此在138个物种机理上只添加了正十二烷的关键低温反应通道，最终得到包含143个物种、539个反应的骨架机理。所加正十二烷低温反应通道如下：

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替代燃料机理简化

获得高精度、尺寸较小的航空煤油替代燃料燃烧机理对准确模拟航空发动机中真实燃料的燃烧过程非常重要。现阶段，敏感度分析简化方法是目前能够获得包含组分数目最少的框架简化方法之一。在这类方法中，首先需要提供一个大尺寸机理和一个小尺寸机理，小尺寸机理中的物种被认为是重要物种，存在于大尺寸机理而不存在于小尺寸机理中的物种被认为是不确定物种。不确定物种的敏感度系数定义为在所有工况条件下，与原机理相比，从当前框架机理中删除该物种所引起的重要燃烧特性的最大误差。这类简化方法最终得到的简化机理的尺寸主要依赖于小尺寸机理中物种的数量。因此，小尺寸机理中的物种不仅要求很少而且均为重要物种，以期最大限度降低最后的简化机理中冗余物种的出现。本部分内容采用敏感度分析简化方法对143个物种机理进行宽温度、宽工况范围简化，具体工况范围为：温度T=650 ～ 1600K，压力P=1 ～ 20atm，当量比ϕ=0.2 ～ 2.0。

作者在2020年提出了改进的敏感度分析简化方法[31]，在本研究中将继续采用该方法对机理进行简化。以点火延迟时间为机理简化衡量标准，采用以下表达式来确定每个物种的敏感度系数：

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

式中，τij是在第j个工况下，删除第i个不确定物种所得到的新的框架机理的点火延迟时间，τdetail，j是第j个工况下原机理的点火延迟时间。

在敏感度分析简化方法中，首先要得到每个不确定物种的敏感度系数，并将敏感度系数最小的不确定物种最先删除。当一个物种从大尺寸机理中删除后，其他不确定物种的敏感度系数也会发生变化。因此，每次删除一个物种，其他不确定物种的敏感度系数将重新被计算，这个过程是不断重复进行的，直到删除骨架机理中的任何一个物种都会导致机理的模拟误差大于给定值，计算结束。因此，SA方法在获得更紧凑的简化机理方面非常有效，但是计算量也比较大，尤其是不确定物种的数量很多时。

在本项工作中，为了提高机理简化的效率，在每步简化中将采取递增删除物种的方式进行，即同时删除多个物种，而不仅仅是敏感度系数最小的物种。具体做法为：首先删除敏感度系数最小的物种，得到的简化机理的误差为该物种的敏感度系数，接着进一步删除敏感度系数排在第二的物种，并计算由此产生的简化机理的误差。继续该过程，直到获得的简化机理误差为通过删除具有最小敏感度系数的物种而获得的简化机理的误差的1.03倍。通过这种方式，可以在每步简化中删除一个及以上的物种，能显著提高机理简化的效率。

本项工作中选取s0C12H26、s1C9H18、PHC3H7、O2、N2、CO2、H2O、O、H、OH为重要物种，剩余物种为不确定物种，采用改进敏感度分析简化方法对不确定物种逐一进行检测，删除不重要物种及其反应。同时，我们将替代燃料分子在反应中存在的多种同分异构体进行了集总处理，仅保留一种具有代表性的物种，最终得到含有86个物种和318个反应的同时包含低温燃烧反应路径的简化机理。

2 结果与讨论

2.1" 点火延迟时间的验证

为了验证所得到86个物种和318个反应的简化机理的合理性，采用CHEMKIN-PRO数值模拟软件模拟了机理在不同工况下的点火延迟时间，并与张昌华等[22]测量得到的点火延迟时间进行对比。图1给出了当量比ϕ=0.2、1.0和2.0时，86个物种和318个反应的简化机理在不同温度和压力条件下的点火延迟时间模拟结果与实验数据的比较。从图中可以看出，86个物种和318个反应的简化机理在多数工况条件下均可以与实验值较好地吻合，且在ϕ=1.0、P=10atm时，机理可以很好地重现燃料在低温下的负温度效应。点火延时最大模拟误差为31%，出现在贫油ϕ=0.2、压力P=10atm、T=1228K条件下。总体上，86个物种和318个反应的简化机理能够可靠地描述RP-3航空煤油在当量比为0.2、1.0和2.0时的宽温度和压力范围内的点火特性。

2.2" 层流火焰速度的验证

为了进一步验证所得机理的合理性，针对86个物种和318个反应的简化机理模拟了在多种条件下的层流火焰速度，并与曾文等[5]测量的层流火焰速度的实验值进行了比较。层流火焰速度模拟条件为：P=1atm，进口温度分别为400K、420K、450K、480K；P=3atm，进口温度分别为450K、480K，模拟结果如图2所示。从图2可以看出，86个物种和318个反应的简化机理的模拟结果趋势均与实验值一致，当量比在1.1附近，层流火焰速度达到峰值；在压力分别为1atm和3atm时，随着进口温度的升高，火焰传播速度加快，模拟结果也准确地呈现出这一现象。在温度分别为450K和480K时，随着压力的升高，层流火焰传播速度减慢，这些模拟结果都与实验数据所呈现出的趋势完全一致。所有工况中，层流火焰速度的模拟值与实验值的最大误差为15.6%，出现在T=450K、P=1atm、ϕ=1.4条件下。在其他工况下的最大误差均低于10%。总体而言，86个物种和318个反应的简化机理可以合理地描述RP-3航空煤油在多种条件下层流火焰速度的传播特性。

2.3" 重要物种浓度的验证

燃料燃烧反应过程中关键物种浓度的验证是检验燃烧机理可靠性的另一重要指标。为了进一步验证得到的86个物种和318个反应的简化机理，针对RP-3/O2/N2系统，选取H2、O2、CH4、CO、CO2、H2O，在射流搅拌反应器（Jet-stirred reactor，JSR）中对机理中这些关键物种浓度随温度的变化进行了模拟，并与实验数据进行了比较。在JSR中的模拟条件分别是：P=0.1MPa，T=550 ～ 1100K，ϕ=0.5、1.0，停留时间τ=2s。不同条件下物种浓度的模拟结果与实验数据的对比如图3所示。从图3可以看出，这些物种浓度的演变与实验的结果在趋势上是一致的。在图3（a）中，H2、O2、CH4、CO、CO2、H2O的摩尔分数与实验数据较为吻合。在图3（b）中，H2在1000K附近的摩尔分数略高于实验值，其他物种的摩尔分数与实验结果的趋势基本一致。

图3 JSR中RP-3航空煤油和替代燃料在P = 0.1MPa，ϕ = 0.5、1.0，τ = 2 s条件下燃烧的关键物种浓度的演变（（a） P = 0.1MPa，ϕ = 0.5时物种浓度的变化；（b） P = 0.1MPa，ϕ = 1.0时物种浓度的变化）.

2.4" 强制敏感度分析

为了进一步验证机理合理性，对86个物种和318个反应的简化机理在压力为1atm、当量比为1.0、温度分别为700K、1000K和1200K条件下，进行了燃料的自点火强制敏感度分析。在这里，第i个反应对点火延迟时间的敏感度系数定义为[33]：

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

式（2）中，αi表示第i个反应的原始速率常数，τ0ign表示原始的点火延迟时间，τign（2αi）表示第i个反应的速率常数扩大2倍时的点火延迟时间。若通过该式计算出的敏感度系数为正，表示该反应一直点火；反之，则促进点火。对86个物种和318个反应的简化机理的强制敏感度分析结果如图4所示。

由图4可知，在低温700K时，对燃料点火抑制最大的反应是C2H2+O2=CHO+HCHO，对点火促进最大的反应是s0C12H26 +OH=s2C12H25 +H2O。其他一些大分子反应对点火也表现出显著的影响，如C12OOHO2-T6=C12KET-T6+OH。在中温1000K时，CH3+HO2=CH3O+OH是机理促进点火最显著的反应，C2H3 +O2 =CHO+HCHO是对点火抑制最大的反应。高温1200K时，对点火有显著影响的主要是一些小分子的反应，其中H+O2 =O+OH、C2H4+OH=C2H3+H2O和C2H3 +O2 =CH2CHO+O对点火促进作用最大，而C2H3 +O2 =CHO+HCHO是对抑制点火影响最大的反应。模拟结果显示，机理的强制敏感度分析可以给出合理的结果，表明86个物种和318个反应的简化机理保留了对点火影响显著的关键反应路径，有较好的高保真度。

2.5" 元素流动分析

为了更好地描述机理的主要物种流动通道，验证其燃烧反应路径的合理性，我们针对86个物种和318个反应的简化机理在低温700K和高温1200K、当量比为1.0、压力为10atm条件下，对配比最多的正十二烷进行了元素流动分析，结果如图5所示。

由图5可知，在低温700K时，机理中的s0C12H26通过氢提取反应生成s2C12H25，在s2C12H25参与的反应中，有54.3%的比例转化为C12H25O2，然后C12H25O2经过分子内氢迁移生成C12OOH-T6，C12OOH-T6再次与O2进行加成反应生成C12OOHO2-T6，C12OOHO2-T6裂解生成C12KET-T6，最后C12KET-T6分解为稳定小分子或小分子自由基；在高温1200 K时，从图5（b）可以看出，s0C12H26通过脱氢反应和裂解反应分别生成s2C12H25和s10C6H13，s2C12H25通过裂解反应直接生成C4以下小分子，s10C6H13的主要反应通道是通过异构化反应生成s34C6H13，其转化率为68.4%，接着s34C6H13通过裂解反应生成C4以下小分子。从元素流动分析的结果可以看出，86个物种和318个反应的简化机理保留了主要的高温和低温物种及其反应通道，使机理可靠性得到保证。

3 结 论

本文结合实际航空煤油燃烧特性，针对RP-3航空煤油替代燃料骨架机理进行了研究，主要结论如下：

（1）选取质量分数分别为73%正十二烷、14.7%1，3，5-三甲基环己烷和12.3%正丙基苯作为RP-3航空煤油替代燃料，同时添加正十二烷低温反应通道，采用敏感度分析简化方法获得包含低温反应路径的86个物种和318个反应的简化机理。

（2）针对86个物种和318个反应的简化机理的点火延迟时间、层流火焰速度和关键物种浓度的模拟结果表明，该机理能够较好地预测RP-3航空煤油在多个条件下的关键燃烧特性，且能重现燃料在低温下的负温度系数效应，给出合理的结果。

（3）敏感度分析和元素流动分析的结果表明，大分子碳氢化合物和相关自由基对燃料低温自点火有显著影响，而在高温下影响点火的关键反应集中在小分子或小的自由基参与的反应。86物种机理保留了低温和高温阶段的关键物种和反应，进一步说明了机理的合理性。

综上所述，本文所提出的精度较高、尺寸较小且包含低温反应路径的86个物种和318个反应的简化机理保留了关键物种及反应路径，可以较好预测RP-3航空煤油主要燃烧特性；该机理可用于工程尺度燃烧室数值仿真模拟，进一步探究航空燃料在工程应用中的实际问题，同时对建立国产航空煤油宽温度范围燃烧机理具有实际意义。

参考文献：

［1］马洪安，付淑青，吴宗霖，等.RP-3航空煤油燃烧特性及其反应机理构建综述[J].航空发动机，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］李树豪，席双惠，张丽娜，等.小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用的数值研究[J].推进技术，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，马洪安，等.RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应简化机理[J].推进技术，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］李树豪，刘建文，李瑞，等.碳氢燃料燃烧机理的自动简化[J].高等学校化学学报，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］郑东，于维铭，钟北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型[J].物理化学学报，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，刘爱科，等.RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟[J].物理化学学报，2015，31（4）：643-652.

［19］杨墨，王静波，李象远.RP-3航空煤油高温骨架机理构建及验证[J].化学研究与应用，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.航空发动机燃烧室贫油熄火极限预测方法综述[J].航空发动机，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］李军，邵菊香，刘存喜，等.碳氢燃料热裂解机理及化学动力学模拟[J].化学学报，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.

责任编校：陈 强，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