基于极小反应网络方法构建燃烧反应机理： JP-10燃料燃烧

doi:10.7503/cjcu20230322

摘要/Abstract

摘要：

外四氢双环戊二烯(C₁₀H₁₆, JP-10)以其低冰点、高体积能量密度和高比冲等优点, 成为爆震发动机、导弹和超燃冲压发动机的常用燃料之一. 已知的JP-10燃烧机理大多是详细机理, 物种数和反应数目庞大, 难以用于高维数值模拟.本文基于极小反应网络方法(MRN), 在先前发展的C₀-C₃机理基础上扩充物种和反应步骤, 构建了包含36个物种和57步反应的JP-10燃烧机理. 该机理采用全可逆基元反应, 反应速率常数采用 Arrhenius方程的双参数形式(A, E)表述. 结合实验数据对该机理进行了验证, 结果表明，该机理能在合理的误差范围内再现JP-10燃烧的点火延迟时间和层流火焰传播速度.

关键词: JP-10, 燃烧反应机理, 极小反应网络, 同时化学平衡

Abstract:

JP-10（exo-tetrahydrodicyclopentadiene， C₁₀H₁₆） is widely used as a fuel in detonation engines， missiles， and scramjets due to its low freezing point， high volumetric energy density， and high specific impulse. Most of the JP-10 mechanisms found in literature are detailed mechanisms with a large number of species and reactions， making them difficult to use in high-dimensional numerical simulations. In this study， based on the minimized reaction network（MRN） method， the species and reaction steps from the previously developed C₀-C₃ mechanism were expanded to construct a JP-10 combustion mechanism with the minimum number of reaction steps and specified number of species， including 36 species and 57 independent reactions. The mechanism employed fully reversible elementary reactions， and the reaction rate constants were described by a dual-parameter form （A， E） of the Arrhenius equation. The mechanism was validated against experimental data， and the results showed that it could reproduce the ignition delay time and laminar flame propagation velocity of JP-10 combustion within a reasonable error range. The mechanism constructed in this study， based on the MRN method and the dual-parameter Arrhenius rate constant approach， combines a small mechanism size with high predictive accuracy. It can provide support for high-fidelity numerical simulations of JP-10 fuel in engineering-scale combustion chambers.

Key words: JP-10, Combustion reaction mechanism, Minimized reaction network, Simultaneous chemical equilibrium

中图分类号:

O643

TrendMD:

廖爱雪, 李宜蔚, 毛业兵, 李象远. 基于极小反应网络方法构建燃烧反应机理： JP-10燃料燃烧. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230322.

LIAO Aixue, LI Yiwei, MAO Yebing, LI Xiangyuan. Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network： Combustion of JP-10. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230322.

图/表 9

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No.	Species	No.	Species	No.	Species	No.	Species
1	O	10	CO₂	19	C₂H₃	28	cyc⁃C₅H₉
2	O₂	11	HCO	20	C₂H₄	29	cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₇
3	H	12	CH₂	21	C₃H₃	30	C₁₀H₁₅
4	OH	13	CH₂O	22	C₃H₄	31	cyc⁃C₅H₉cyc⁃C₅H₇
5	HO₂	14	CH₃	23	C₃H₅	32	C₁₀H₁₆
6	H₂	15	CH₂OH	24	C₅H₅	33	cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₈
7	H₂O	16	C₂H	25	cyc⁃C₅H₆	34	He
8	H₂O₂	17	C₂H₂	26	cyc⁃C₅H₇	35	Ar
9	CO	18	CH₂CO	27	cyc⁃C₅H₈	36	N₂

No.	Species	No.	Species	No.	Species	No.	Species
1	O	10	CO₂	19	C₂H₃	28	cyc⁃C₅H₉
2	O₂	11	HCO	20	C₂H₄	29	cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₇
3	H	12	CH₂	21	C₃H₃	30	C₁₀H₁₅
4	OH	13	CH₂O	22	C₃H₄	31	cyc⁃C₅H₉cyc⁃C₅H₇
5	HO₂	14	CH₃	23	C₃H₅	32	C₁₀H₁₆
6	H₂	15	CH₂OH	24	C₅H₅	33	cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₈
7	H₂O	16	C₂H	25	cyc⁃C₅H₆	34	He
8	H₂O₂	17	C₂H₂	26	cyc⁃C₅H₇	35	Ar
9	CO	18	CH₂CO	27	cyc⁃C₅H₈	36	N₂

Species	C₁₀H₁₆	O₂	H₂	Species	C₁₀H₁₆	O₂	H₂
cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₈	1	0	0	C₂H₂	1/5	0	-3/5
cyc⁃C₅H₉cyc⁃C₅H₇	1	0	0	O	0	1/2	0
C₁₀H₁₅	1	0	-1/2	H	0	0	1/2
cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₇	1	0	-1/2	OH	0	1/2	1/2
cyc⁃C₅H₉	1/2	0	1/2	HO₂	0	1	1/2
cyc⁃C₅H₈	1/2	0	0	H₂O	0	1/2	1
cyc⁃C₅H₇	1/2	0	-1/2	H₂O₂	0	1	1
cyc⁃C₅H₆	1/2	0	-1	CO	1/10	1/2	-4/5
C₅H₅	1/2	0	-3/2	CO₂	1/10	1	-4/5
C₃H₅	3/10	0	1/10	HCO	1/10	1/2	-3/10
C₃H₄	3/10	0	-2/5	CH₂	1/10	0	1/5
C₃H₃	3/10	0	-9/10	CH₂O	1/10	1/2	1/5
C₂H₄	1/5	0	2/5	CH₃	1/10	0	7/10
C₂H₃	1/5	0	-1/10	CH₂OH	1/10	1/2	7/10
CH₂CO	1/5	1/2	-3/5	C₂H	1/5	0	11/10

Species	C₁₀H₁₆	O₂	H₂	Species	C₁₀H₁₆	O₂	H₂
cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₈	1	0	0	C₂H₂	1/5	0	-3/5
cyc⁃C₅H₉cyc⁃C₅H₇	1	0	0	O	0	1/2	0
C₁₀H₁₅	1	0	-1/2	H	0	0	1/2
cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₇	1	0	-1/2	OH	0	1/2	1/2
cyc⁃C₅H₉	1/2	0	1/2	HO₂	0	1	1/2
cyc⁃C₅H₈	1/2	0	0	H₂O	0	1/2	1
cyc⁃C₅H₇	1/2	0	-1/2	H₂O₂	0	1	1
cyc⁃C₅H₆	1/2	0	-1	CO	1/10	1/2	-4/5
C₅H₅	1/2	0	-3/2	CO₂	1/10	1	-4/5
C₃H₅	3/10	0	1/10	HCO	1/10	1/2	-3/10
C₃H₄	3/10	0	-2/5	CH₂	1/10	0	1/5
C₃H₃	3/10	0	-9/10	CH₂O	1/10	1/2	1/5
C₂H₄	1/5	0	2/5	CH₃	1/10	0	7/10
C₂H₃	1/5	0	-1/10	CH₂OH	1/10	1/2	7/10
CH₂CO	1/5	1/2	-3/5	C₂H	1/5	0	11/10

C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₈	3/10C₁₀H₁₆⇌C₃H₄+2/5H₂	1/10C₁₀H₁₆+1/5H₂⇌CH₂
C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₉cyc⁃C₅H₇	3/10C₁₀H₁₆⇌C₃H₃+9/10H₂	1/10C₁₀H₁₆+1/2O₂⇌HCO+3/10H₂
C₁₀H₁₆⇌C₁₀H₁₅+1/2H₂	1/5C₁₀H₁₆+2/5H₂⇌C₂H₄	1/10C₁₀H₁₆+O₂⇌CO₂+4/5H₂
C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₈cyc⁃C₅H₇+1/2H₂	1/5C₁₀H₁₆⇌C₂H₃+1/10H₂	1/10C₁₀H₁₆+1/2O₂⇌CO+4/5H₂
1/2C₁₀H₁₆+1/2H₂⇌cyc⁃C₅H₉	1/5C₁₀H₁₆+1/2O₂⇌CH₂CO+3/5H₂	O₂+H₂⇌H₂O₂
1/2C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₈	1/5C₁₀H₁₆⇌C₂H₂+3/5H₂	O₂+1/2H₂⇌HO₂
1/2C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₇+1/2H₂	1/5C₁₀H₁₆+11/10H₂⇌C₂H	1/2O₂+H₂⇌H₂O
1/2C₁₀H₁₆⇌cyc⁃C₅H₆+H₂	1/10C₁₀H₁₆+1/2O₂+7/10H₂⇌CH₂OH	1/2O₂+1/2H₂⇌OH
1/2C₁₀H₁₆⇌C₅H₅+3/2H₂	1/10C₁₀H₁₆+7/10H₂⇌CH₃	1/2H₂⇌H
3/10C₁₀H₁₆+1/10H₂⇌C₃H₅	1/10C₁₀H₁₆+1/2O₂+1/5H₂⇌CH₂O	1/2O₂⇌O