Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network： Combustion of JP-10

doi:10.7503/cjcu20230322

Abstract

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

CLC Number:

O643

TrendMD:

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

Figures/Tables 9

References 32

1	Gao C. W.， Vandeputte A. G.， Yee N. W.， Green W. H.， Bonomi R. E.， Magoon G. R.， Wong H. W.， Oluwole O. O.， Lewis D. K.， Vandewiele N. M.， Van Geem K. M.， Combust. Flame， 2015， 162（8）， 3115—3129
2	Zhao L.， Ye D.， Guo Y.， Fang W.， J. Chem. Eng. Data， 2019， 64（6）， 2558—2567
3	Chung H. S.， Chen C. S. H.， Kremer R. A.， Boulton J. R.， Burdette G. W.， Energy Fuels， 1999， 13（3）， 641—649
4	Thomas J. B.， Huber M. L.， Laesecke A.， Lemmon E. W.， Perkins R. A.， Natl. Inst. Stand. Technol.， 2006， 6640， 325
5	Li S. C.， Varatharajan B.， Williams F. A.， AIAA Journal， 2001， 39（12）， 2351—2356
6	Curran H. J.， Proc. Combust. Inst.， 2019， 37， 57—81
7	Tan N. X.， Wang J. B.， Hua X. X.， Li Z. R.， Li X. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2011， 32（8）， 1832—1837
	谈宁馨，王静波，华晓筱，李泽荣，李象远. 高等学校化学学报， 2011， 32（8）， 1832—1837
8	Guo J. J.， Tang S. Y.， Li R.， Tan N. X.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2019， 35（2）， 182—192
	郭俊江，唐石云，李瑞，谈宁馨. 物理化学学报， 2019， 35（2）， 182—192
9	Zou J. B.， Li W.， Ye L. L.， Zhang X. Y.， Li Y. Y.， Yang J. Z.， Qi F.， Chin. J. Chem. Phys.， 2018， 31（4）， 537—546
10	Green W.H.， Allen J.W.， Buesser B.A.， Ashcraft R.W.， Beran G.J.， Class C. A.， Gao C. W.， Goldsmith C. F.， Harper M. R.， Jalan A.， Keceli M.， Magoon G. R.， Matheu D. M.， Merchant S. S.， Mo J. D.， Petway S.， Raman S.， Sharma S.， Song J.， Suleymanov Y.， Van⁃Geem K. M.， Wen J.， West R. H.， Wong A.， Wong H. S.， Yelvington P. E.， Yee N.， Yu J.， RMG⁃Reaction Mechanism Generator v4.0.1 2023， http：//rmg.sourceforge.net/
11	Herbinet O.， Sirjean B.， Bounaceur R.， Fournet R.， Battin⁃Leclerc F.， Scacchi G.， Marquaire P. M.， J. Phys. Chem. A， 2006， 110（39）， 11298—11314
12	Vandewiele N. M.， Magoon G. R.， Van⁃Geem K. M.， Reyniers M. F.， Green W. H.， Marin G. B.， Energy Fuels， 2014， 28（8）， 4976—4985
13	Magoon G. R.， Aguilera⁃Iparraguirre J.， Green W. H.， Lutz J. J.， Piecuch P.， Wong H. W.， Oluwole O. O.， Int. J. Chem. Kinet.， 2012， 44（3）， 179—193
14	Davidson D. F.， Horning D. C.， Herbon J. T.， Hanson R. K.， Proc. Combust. Inst.， 2000， 28， 1687—1692
15	Tao Y. J.， Xu R.， Wang K.， Shao J. K.， Johnson S. E.， Movaghar A.， Han X.， Park J. W.， Lu T. F.， Brezinsky K.， Egolfopoulos F. N.， Davidson D. F.， Hanson R. K.， Bowman C. T.， Wang H.， Combust. Flame， 2018， 198， 466—476
16	Zhong B. J.， Zeng Z. M.， Zhang H. Z.， Fuel， 2022， 312， 122900
17	Mechanical and Aerospace Engineering（Combustion Research）， San Diego Mechanism， University of California at San Diego， 2023， http：//combustion.ucsd.edu
18	Li X.Y.， Shentu J. T.， Li Y. W.， Li J. Q.， W J. B.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 772—779
	李象远，申屠江涛，李宜蔚，李娟琴，王静波. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 772—779
19	Li X. Y.， Yao X. X.， Shentu J. T.， Sun X. H.， Li J. Q.， Liu M. X.， Xu S. M.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 512—520
	李象远，姚晓霞，申屠江涛，孙晓慧，李娟琴，刘明夏，许诗敏. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 512—520
20	Weltin E.， J. Chem. Educ.， 1994， 71（4）， 295—297
21	Tsang W.， Hampson R. F.， J. Phys. Chem. Ref. Data， 1986， 15（3）， 1087—1279
22	Wang H.， Sheen D. A.， Prog. Energy Combust.， 2015， 47， 1—31
23	Li X. Y.， Wang J. B.， Li Y. W.， Shentu J. T.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（6）， 1871—1880
	李象远，王静波，李宜蔚，申屠江涛. 高等学校化学学报， 2021， 42（6）， 1871—1880
24	Esparza A. A.， Ferguson R. E.， Choudhuri A.， Love N. D.， Shafirovich E.， Combust. Flame， 2018， 193， 417—423
25	Wang Z. D.， Ee L. L.， Yuan W. H.， Zhang L. D.， Wang Y. Z.， Cheng Z. J.， Zhang F.， Qi F.， Combust. Flame， 2014， 161， 84—100
26	Robinson R. K.， Lindstedt R. P.， Combust. Flame， 2011， 158（4）， 666—686
27	Chiara S.， Alessio F.， Alberto C.， Tiziano F.， Eliseo R.， Combust. Flame， 2013， 160（7）， 1168—1190
28	Shi L.， Xu P.， Wang R.， Tang W. X.， Ding T.， Jiang R. P.， Zhang C. H.， Fuel， 2023， 333， 126418
29	Colket M. B.， Spadaccini L. J.， J. Propul. Power， 2001， 17（2）， 315—323
30	Chemkin⁃Pro， Reaction Design， San Diego， 2010
31	Chang Y.， Jia M.， Li Y.， Liu Y.， Xie M.， Wang H.， Reitz R. D.， Combust. Flame， 2015， 162（10）， 3785—3802
32	Ji C.， Sarathy S. M.， Veloo P. S.， Westbrook C. K.， Egolfopoulos F. N.， Combust. Flame， 2012， 159（4）， 1426—1436

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