基于敏感性分析的重油替代物簡化機(jī)理

柴油機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高的特點(diǎn)，自1904年首次被應(yīng)用于船舶以來，長期占據(jù)船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置中的統(tǒng)治地位。船舶營運(yùn)中燃料成本占有較高比例，上個(gè)世紀(jì)石油危機(jī)時(shí)期，輕柴油價(jià)格飛漲，給船舶營運(yùn)造成一定成本壓力。在此背景下，經(jīng)過專業(yè)人員技術(shù)革新，船用柴油機(jī)燃用重油獲得成功，重燃料油簡稱重油

，是一種低質(zhì)燃料油，由石油直餾殘?jiān)秃投渭庸げ裼突旌隙谩３煞謴?fù)雜，黏度高，因其價(jià)格低廉，在大功率中、低速柴油機(jī)得到推廣和應(yīng)用。然而，大量船舶燃用重油已對海洋和瀕海地區(qū)造成環(huán)境污染，這一問題正在被更多國家和國際組織所關(guān)注，相繼出臺海洋環(huán)保法律和法規(guī)。

為了滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，開展船用柴油機(jī)重油燃燒和排放過程研究，成為提高燃料經(jīng)濟(jì)性和降低燃燒排放污染物的主要技術(shù)途徑。利用實(shí)驗(yàn)臺架開展船用柴油機(jī)重油燃燒過程研究，存在實(shí)驗(yàn)成本高，研究周期長等問題，常規(guī)做法是借助柴油機(jī)燃燒計(jì)算軟件搭建三維流體動(dòng)力學(xué)模型，再利用一定的實(shí)驗(yàn)臺架數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上開展重油燃燒過程研究。重油成分復(fù)雜，組分中存在較多長鏈和苯環(huán)結(jié)構(gòu)碳?xì)浠衔?，燃燒過程受到缸內(nèi)物理、化學(xué)耦合作用，中間反應(yīng)路徑及反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜多樣，因而重油燃燒機(jī)理的研究困難多，進(jìn)展相對緩慢。燃料的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型可以較好預(yù)測點(diǎn)火時(shí)刻，準(zhǔn)確描述內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒變化過程，同時(shí)可以對缸內(nèi)燃燒中產(chǎn)生的中間物質(zhì)及相關(guān)重要組分的濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。但燃料的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理往往包含較多的物質(zhì)組分和基元反應(yīng)，機(jī)理成分相對較為復(fù)雜。由于計(jì)算條件所限，燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)機(jī)理僅能依賴于較為簡單的基礎(chǔ)性燃燒試驗(yàn)研究，開展更為深入的研究，仍然需要借助燃料的替代物簡化機(jī)理。

如上所述，構(gòu)建重油替代物的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡化機(jī)理模型，可以降低化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，降低研究計(jì)算成本，在一定程度上也可以兼顧模擬精度與研究廣度。本文基于重油成分，選取甲苯用來代表芳香烴化合物，正庚烷用來代表烷烴化合物，丙烯用來代表烯烴化合物。構(gòu)建重油替代物機(jī)理模型。

1 機(jī)理簡化

在化學(xué)動(dòng)力學(xué)發(fā)展的過去幾十年中，人們對于機(jī)理簡化的研究已經(jīng)有了一定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。機(jī)理的簡化整體上大致可分為兩類

，第一類是根據(jù)反應(yīng)或者組分的重要程度進(jìn)行篩檢，如敏感性分析法(SA)、直接關(guān)系圖法(DRG)及發(fā)展出來的基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法(DRGEP)等。第二類是根據(jù)一些數(shù)學(xué)方法對詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡化，如計(jì)算奇異攝動(dòng)法(CSP)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)法(QSSA)等。本文采用第一類方法，首先通過DRGEP方法分別對詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡化，結(jié)合敏感性分析進(jìn)行優(yōu)化，得到簡化機(jī)理。

直接關(guān)系圖法，即從選定組分出發(fā)，通過分析比較其他組分與選定組分的關(guān)聯(lián)性，定量的確定簡化后機(jī)理與原始機(jī)理之間的著火延遲誤差，去除不重要的組分及相關(guān)基元反應(yīng)。但直接關(guān)系圖法存在一些缺陷：在簡化過程中預(yù)先設(shè)定的閾值有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，需要多長試驗(yàn)；在直接關(guān)系圖法中沒有直接考慮每個(gè)基元反應(yīng)和組分對于化學(xué)機(jī)理重要參數(shù)的影響。針對以上缺陷，在此基礎(chǔ)上推出了基于誤差傳播的直接關(guān)系圖法(DRGEP)，可以有效解決該問題，在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛推廣。

本文采取Chemkin軟件中的一維計(jì)算模塊Premixed Laminar Flame-speed Calculation進(jìn)行層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算。選取溫度為450K、壓力為3atm的工況下對甲苯簡化機(jī)理進(jìn)行層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算，得到甲苯簡化機(jī)理隨當(dāng)量比的變化情況并與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。由圖5對比發(fā)現(xiàn)，部分當(dāng)量比的預(yù)測值略低于詳細(xì)機(jī)理，但整體趨勢良好。選取溫度為298K、壓力為1atm的工況下對正庚烷簡化機(jī)理進(jìn)行層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算，得到正庚烷簡化機(jī)理隨當(dāng)量比的變化情況并與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。由對比發(fā)現(xiàn)，簡化機(jī)理預(yù)測值與詳細(xì)機(jī)理可以大致吻合。選取溫度為298K、壓力為1MPa的工況下對丙烯簡化機(jī)理進(jìn)行層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算，得到丙烯簡化機(jī)理隨當(dāng)量比的變化情況并與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。由對比發(fā)現(xiàn)，簡化機(jī)理預(yù)測值與詳細(xì)機(jī)理基本吻合，即驗(yàn)證機(jī)理的合理性。

基于以上機(jī)理的簡化，對簡化機(jī)理從著火延遲時(shí)間、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c示功圖方面進(jìn)行對比驗(yàn)證。研究認(rèn)為系統(tǒng)從滿足臨界著火條件的初始溫度到燃燒發(fā)生初期點(diǎn)所需要的時(shí)間稱為著火延遲時(shí)間

，著火延遲時(shí)間是最重要的著火特性參數(shù)。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩x為平面火焰的火焰鋒面向未燃?xì)怏w方向垂直移動(dòng)的速度，是燃料火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘闹匾A(chǔ)參數(shù)

。示功圖則可以反映柴油機(jī)的燃燒特性。

1.1 甲苯機(jī)理簡化

直腸檢查是一種現(xiàn)代化的科學(xué)檢查手段，在檢查過程中，如果發(fā)現(xiàn)母牛子宮出現(xiàn)宮頸大并變軟，子宮角堅(jiān)實(shí)，子宮體積開始增大，并且伴有明顯的收縮反應(yīng)時(shí)，則可以斷定母牛處于發(fā)情期。從科學(xué)的角度分析，發(fā)情期的母牛左右卵巢有明顯的差異，產(chǎn)生卵泡的一側(cè)卵巢較大，并且有突出的卵泡。該種檢查在人工授精前也經(jīng)常使用，判斷更為精準(zhǔn)。

1.2 正庚烷機(jī)理簡化

正庚烷由于十六烷值與柴油相近，因此常被用作柴油的單組分替代物。本文研究選取正庚烷LLNL機(jī)理作為詳細(xì)機(jī)理

，設(shè)置溫度為800～1400K和壓力為20atm為簡化工況，選取NC

H

、O

、N

、CO

、H

O為目標(biāo)組分。采用DRGEP方法對詳細(xì)機(jī)理中的不重要組分和基元反應(yīng)進(jìn)行刪除。同時(shí)在溫度為800K、900K和當(dāng)量比φ=1.0、φ=0.5的工況下甲苯進(jìn)行敏感性分析，得到對溫度最為敏感的10個(gè)反應(yīng)。由圖2敏感性分析可得，C

H

+OH=C

H

-2+H

O的正溫度敏感性系數(shù)最大，C

H

=C

H

+C

H

的負(fù)溫度敏感性系數(shù)最大。

1.3 丙烯機(jī)理簡化

本文采取Chemkin軟件中的零維均質(zhì)閉式反應(yīng)器模型來預(yù)測滯燃期。選取壓力為4.6MPa，當(dāng)量比為1.0的條件下，將本文甲苯簡化機(jī)理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。對比圖如圖4所示。由圖中可得，整體預(yù)測值略有偏差，但均在誤差范圍之內(nèi)，預(yù)測趨勢良好。選取壓力為4.2MPa，當(dāng)量比為1.0的條件下，將本文正庚烷簡化機(jī)理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。由圖中可得，高溫區(qū)域預(yù)測值略高于詳細(xì)機(jī)理，整體預(yù)測趨勢較為吻合。選取壓力為2MPa，當(dāng)量比為1.0的條件下，將丙烯簡化機(jī)理滯燃期隨溫度的變化情況與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對比。由對比圖可得，在低溫區(qū)域和中溫區(qū)域整體預(yù)測良好，高溫區(qū)域略有偏差。

2 簡化機(jī)理的驗(yàn)證

敏感性分析也叫靈敏度分析，即通過分析系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)性能的整體影響程度，根據(jù)程度值將其進(jìn)行區(qū)分。在工程應(yīng)用中，通過對項(xiàng)目進(jìn)行敏感性分析，可以直觀地獲得系統(tǒng)中的各重要參數(shù)信息，便于對參數(shù)進(jìn)行分析，對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要意義。但對于工程的這種分析，又區(qū)別與數(shù)學(xué)模型的分析。因?yàn)閷?shí)際工程問題的數(shù)學(xué)模型往往都比較復(fù)雜，難以用顯式函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行描述，且對于項(xiàng)目問題的敏感性分析也只能作為一種輔助手段。在化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究中，敏感性性分析則可以為化學(xué)反應(yīng)模型的各種參數(shù)對結(jié)果的影響作出量化表達(dá)，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬和表達(dá)有重要意義。對組分與基元反應(yīng)進(jìn)行敏感性分析，可以判斷基元反應(yīng)對結(jié)算結(jié)果的影響程度，從而將對整體計(jì)算影響程度較小的基元反應(yīng)去除，達(dá)到機(jī)理簡化的目的。

甲苯機(jī)理現(xiàn)已發(fā)展較為成熟

，本文研究選取Gri-Mech 3.0的甲苯詳細(xì)燃燒機(jī)理進(jìn)行簡化，設(shè)置溫度為800～1400K和壓力P=10atm為簡化工況，選取C

H

CH

、O

、N

、H

O、CO

為目標(biāo)組分。采用DRGEP方法對詳細(xì)機(jī)理中不重要的組分和基元反應(yīng)進(jìn)行刪除。同時(shí)在溫度T=800K、當(dāng)量比為0.5、1.0工況下對甲苯詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行敏感性分析，得到對溫度最為敏感的6個(gè)反應(yīng)。如下圖1所示。由圖中可得，C

H

+O

=C

H

+HO

的負(fù)溫度系數(shù)最大，C

H

+HO

=C

H

+CH

O+OH的正溫度系數(shù)最大。

2.1 滯燃期驗(yàn)證

丙烯是一些高級烷烴(如丙烷、正丁烷、正庚烷和異辛烷)燃燒的重要中間產(chǎn)物，因?yàn)樗峭榛杂苫纸獾漠a(chǎn)物

。本文研究選取AramcoMech機(jī)理進(jìn)行簡化，設(shè)置溫度為800～1400K，壓力P=10atm進(jìn)行簡化，選取C

H

、O

、N

、CO

、H

O為目標(biāo)組分。采用DRGEP方法對詳細(xì)機(jī)理中的不重要組分和基元反應(yīng)進(jìn)行刪除。同時(shí)在溫度為900K、1200K和當(dāng)量比為1.0的工況下對丙烯進(jìn)行敏感性分析，得到了對溫度最為敏感的5個(gè)反應(yīng)。如下圖3所示，其中C

H

+OH=C

H

-a+H

O的正溫度敏感性系數(shù)最大，C

H

+O

=CH

CO+HCO的負(fù)溫度敏感性系數(shù)最大。

2.2 層流火焰速度驗(yàn)證

圖6給出了彈丸超高速侵徹中厚靶引起的靶板中的波系作用。反射的稀疏波與入射沖擊波相互作用后，靶內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，隨著反射稀疏波向靶的深部傳播，負(fù)壓將會(huì)逐漸增大，當(dāng)負(fù)壓達(dá)到靶的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)形成層裂片并從靶體向外拋出。根據(jù)沖擊波強(qiáng)度及靶板厚度的不同，可以形成一塊或多塊層裂片。如果最終的坑底位置與層裂片位置重合，則被定義為“彈道極限條件”。

2.3 示功圖驗(yàn)證

上述驗(yàn)證從化學(xué)動(dòng)力學(xué)層面對機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，為獲得進(jìn)一步驗(yàn)證，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃燒數(shù)據(jù)與簡化機(jī)理的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。在本次驗(yàn)證中，本文利用CONVERGE軟件來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。根據(jù)7S60船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室實(shí)際尺寸進(jìn)行構(gòu)建燃燒室模型，該船機(jī)有效壓縮比為16。計(jì)算初始時(shí)刻缸內(nèi)溫度為320K，缸內(nèi)壓力為0.3MPa。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，模擬計(jì)算從排氣閥關(guān)閉到排氣閥開啟這段時(shí)間。對比示功圖如下圖6所示。由圖可得，模擬曲線存在一定誤差，但整體擬合趨勢良好。存在誤差原因如下，本次模擬將仿真系統(tǒng)看成絕熱系統(tǒng)，會(huì)忽略掉一部分氣缸漏氣和真實(shí)工作狀態(tài)的傳熱損失等問題；且模擬機(jī)理與實(shí)際燃料存在一定誤差。

李曉晨（2000）認(rèn)為在學(xué)習(xí)動(dòng)物學(xué)時(shí)要記住兩個(gè)原則：一是生物體與環(huán)境統(tǒng)一的原則，二是結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的原則。因此，有內(nèi)在聯(lián)系的動(dòng)物和動(dòng)物所發(fā)出的行為動(dòng)作以及他們所生活的環(huán)境等詞匯，常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在動(dòng)物學(xué)英語篇章中。此時(shí)通過使用搭配的詞匯銜接手段，使相關(guān)詞項(xiàng)在英語篇章中形成語義場，加強(qiáng)句子之間的語義聯(lián)系，可以達(dá)到使篇章連貫的效果。

⑦地方政府確保投入。地方各級政府要將水土保持治理經(jīng)費(fèi)列入當(dāng)年年度財(cái)政預(yù)算，并隨著財(cái)政收入好轉(zhuǎn)逐步增加水土保持工作經(jīng)費(fèi)。根據(jù)規(guī)劃，每年市和縣級財(cái)政應(yīng)當(dāng)安排治理水土流失生態(tài)修復(fù)投資1 000萬元以上，確保目標(biāo)任務(wù)的全面完成。

3 結(jié)論

本文根據(jù)重油組分分別選取甲苯、正庚烷、丙烯作為芳香烴化合物、烷烴化合物、烯烴化合物的代表物質(zhì)，通過采用DRGEP對其進(jìn)行簡化，結(jié)合敏感性分析，得到簡化機(jī)理。隨后對簡化機(jī)理進(jìn)行滯燃期與層流火焰速度的驗(yàn)證，驗(yàn)證機(jī)理的合理性，將其耦合得到121組分、700基元反應(yīng)的重油替代物簡化機(jī)理模型，最后進(jìn)行示功圖驗(yàn)證，驗(yàn)證機(jī)理的合理性。

[1]劉玉坪、肖民、黃志偉. 基于DRG及其衍生方法的燃燒反應(yīng)機(jī)理簡化策略[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2020, 34(4):8.

[2]馮洪慶, 張靜, 張春紅,等. DRGEP與敏感性分析方法構(gòu)建甲苯簡化動(dòng)力學(xué)模型[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2018, 42(4):11.

[3]陳文淼, 帥石金, 王建昕. 一種含碳煙生成的柴油表征燃料化學(xué)反應(yīng)簡化機(jī)理[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2010(4):8.

[4]陳菲兒, 邱越, 阮燦,等. 基于直接關(guān)系圖類方法的丙烯詳細(xì)機(jī)理骨架簡化[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2019, 25(6):8.

[5]羅響亮, 任自中. 柴油機(jī)滯燃期的確定方法及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 柴油機(jī), 2006, 028(001):16-18,30.

[6]Mahdi, Faghih, 陳正,等. 用于測量層流火焰速度的定容球形傳播火焰方法[J]. Science Bulletin, 2016, 16(v.61):72-86.