Combustion Mechanism Development Based on Minimized Reaction Network Method： C2 Fuel

doi:10.7503/cjcu20230386

Abstract

Abstract:

The increasing number of species and reactions in the combustion mechanisms has caused inconvenience to the engineering application of turbulent combustion simulation. The minimized reaction network method was adopted to develop combustion mechanisms for typical C₂ fuels such as ethylene， ethane and ethanol under specific chemical resolution. Each C₂ single mechanism features a compact reaction network with reversible reaction. Moreover， the direction of all reactions was unified in form. For kinetic parameters， the form of classical Arrhenius equation with two parameters（A， E_a） was adopted. This choice ensures physical significance while facilitating parameter optimization. The mechanism reduction process was avoided in the development of the C₂ mechanisms， while the number of species and reactions were significantly decreased. The simulation results indicate that the C₂ combustion mechanisms developed in this work exhibit high reliability while maintaining small scales， which may bring convenience to the practical engineering application of the mechanisms by reducing computational costs.

Key words: Combustion mechanism, Minimized reaction network, Chemical resolution, Reversible reaction, C₂ fuel

CLC Number:

O643.12

TrendMD:

SHENTU Jiangtao, LI Yiwei, LU Yanrong, LI juanqin, MAO Yebing, LI Xiangyuan. Combustion Mechanism Development Based on Minimized Reaction Network Method： C₂ Fuel[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230386.

Figures/Tables 12

Table 1 Independent reactions of C2H4, O2, H2 as initial components

No.	Species	C₂H₄	O₂	H₂	No.	Species	C₂H₄	O₂	H₂
1	C₂H₃	1	0	-0.5	8	H	0	0	0.5
2	C₂H₂	1	0	-1	9	O	0	0.5	0
3	C₂H	1	0	-1.5	10	OH	0	0.5	0.5
4	CH₂O	0.5	0.5	0	11	HO₂	0	1	0.5
5	HCO	0.5	0.5	-0.5	12	H₂O₂	0	1	1
6	CO	0.5	0.5	-1	13	H₂O	0	0.5	1
7	CO₂	0.5	1	-1

Table 2 Added reactions with kinetic parameters of C2H4 module

Species	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）
C₂H₄	C₂H₄（+M） $⇌$ C₂H₃+H（+M）	2.00×10¹⁶	461010
	Low⁃pressure limit	2.60×10¹⁷	403660
	H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/Ar/0.7/
	C₂H₄+O₂ $⇌$ C₂H₃+HO₂	4.22×10¹⁴	157250
	C₂H₄OH $⇌$ C₂H₃+H₂O	3.77×10¹⁴	27880
C₂H₃	C₂H₃（+M） $⇌$ C₂H₂+H（+M）	1.89×10¹³	164230
	Low⁃pressure limit	3.31×10¹⁴	137520
	H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/Ar/0.7/
	C₂H₃+O₂ $⇌$ CH₂O+HCO	1.85×10¹⁵	0
	C₂H₃+H $⇌$ C₂H₂+H₂	8.00×10¹⁶	0
C₂H₂	C₂H₂ $⇌$ H+C₂H	2.63×10¹⁵	497750
	C₂H₂+O₂ $⇌$ CH₂O+CO	5.86×10¹⁵	153870
	C₂H₂+OH $⇌$ C₂H+H₂O	3.53×10¹⁵	75950
C₂H	C₂H+O₂ $⇌$ HCO+CO	5.00×10¹⁴	6270

Table 2 Added reactions with kinetic parameters of C2H4 module

Species	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）
C₂H₄	C₂H₄（+M） $⇌$ C₂H₃+H（+M）	2.00×10¹⁶	461010
	Low⁃pressure limit	2.60×10¹⁷	403660
	H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/Ar/0.7/
	C₂H₄+O₂ $⇌$ C₂H₃+HO₂	4.22×10¹⁴	157250
	C₂H₄OH $⇌$ C₂H₃+H₂O	3.77×10¹⁴	27880
C₂H₃	C₂H₃（+M） $⇌$ C₂H₂+H（+M）	1.89×10¹³	164230
	Low⁃pressure limit	3.31×10¹⁴	137520
	H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/Ar/0.7/
	C₂H₃+O₂ $⇌$ CH₂O+HCO	1.85×10¹⁵	0
	C₂H₃+H $⇌$ C₂H₂+H₂	8.00×10¹⁶	0
C₂H₂	C₂H₂ $⇌$ H+C₂H	2.63×10¹⁵	497750
	C₂H₂+O₂ $⇌$ CH₂O+CO	5.86×10¹⁵	153870
	C₂H₂+OH $⇌$ C₂H+H₂O	3.53×10¹⁵	75950
C₂H	C₂H+O₂ $⇌$ HCO+CO	5.00×10¹⁴	6270

Table 3 Added reactions with kinetic parameters of C2H6 module

Species	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）
C₂H₆	C₂H₆（+M） $⇌$ CH₃+CH₃（+M）	1.62×10¹⁶	358390
	Low⁃pressure limit	3.31×10¹⁹	302510
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/C₂H₆/3/
	C₂H₆（+M） $⇌$ C₂H₅+H（+M）	5.64×10¹⁶	420130
	Low⁃pressure limit	9.36×10²⁰	409050
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/C₂H₆/3/
	C₂H₆+O₂ $⇌$ C₂H₅+HO₂	6.02×10¹³	133380
	C₂H₆+OH $⇌$ C₂H₅+H₂O	1.20×10¹³	10990
	C₂H₆+HO₂ $⇌$ C₂H₅+H₂O₂	1.32×10¹⁴	73020
C₂H₅	C₂H₅（+M） $⇌$ C₂H₄+H（+M）	8.20×10¹³	167200
	Low⁃pressure limit	3.02×10¹⁷	102490
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/

Table 3 Added reactions with kinetic parameters of C2H6 module

Species	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）
C₂H₆	C₂H₆（+M） $⇌$ CH₃+CH₃（+M）	1.62×10¹⁶	358390
	Low⁃pressure limit	3.31×10¹⁹	302510
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/C₂H₆/3/
	C₂H₆（+M） $⇌$ C₂H₅+H（+M）	5.64×10¹⁶	420130
	Low⁃pressure limit	9.36×10²⁰	409050
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/C₂H₆/3/
	C₂H₆+O₂ $⇌$ C₂H₅+HO₂	6.02×10¹³	133380
	C₂H₆+OH $⇌$ C₂H₅+H₂O	1.20×10¹³	10990
	C₂H₆+HO₂ $⇌$ C₂H₅+H₂O₂	1.32×10¹⁴	73020
C₂H₅	C₂H₅（+M） $⇌$ C₂H₄+H（+M）	8.20×10¹³	167200
	Low⁃pressure limit	3.02×10¹⁷	102490
	Ar/0.7/H₂/2/H₂O/6/CO/1.5/CO₂/2/CH₄/2/

Table 4 Comparison of reactions and species(containing N2, Ar, He) of NUIG and CKL1.0 mechanisms*

Fuel	Skeletal⁃NUIG	CKL1.0
C₂H₄	54s⁃305r	19s⁃24r
C₂H₆	49s⁃284r	23s⁃33r
C₂H₅OH	38s⁃265r	23s⁃28r

References 30

1	Kolhe A. V.， Malwe P. D.， Chopkar Y.， Panchal H.， Ağbulut Ü.， Mubarak N. M.， Chowdhury S.， Amesho K. T. T.， Environ. Sci. Pollut. Res.， 2023， 1—21
2	Zhong Y.， Zhang Y.， Mao C.， Ukaew A.， Processes， 2022， 10（9）， 1689
3	Kobayashi K.， Tomioka S.， Takahashi M.， Kodera M.， Ceas Space J.， 2023， 15（6）， 845—866
4	El⁃Sabor Mohamed A. A.， Sahu A. B.， Panigrahy S.， Baigmohammadi M.， Bourque G.， Curran H.， Combust. Flame， 2022， 245， 112306
5	Zhou C. W.， Li Y.， Burke U.， Banyon C.， Somers K. P.， Ding S.， Khan S.， Hargis J. W.， Sikes T.， Mathieu O.， Petersen E. L.， Alabbad M.， Farooq A.， Pan Y.， Zhang Y.， Huang Z.， Lopez J.， Loparo Z.， Vasu S. S.， Curran H. J.， Combust. Flame， 2018， 197， 423—438
6	UCSD Mechanism， Mechanical and Aerospace Engineering（Combustion Research）， University of California at San Diego， Version 2016⁃12⁃14， http：//combustion.ucsd.edu
7	Wang H.， You X.， Joshi A. V.， Davis S. G.， Laskin A.， Egolfopoulos F.， Law C. K.， USC Mech Version II， http：//web.stanford.edu/group/haiwanglab/USC%20Mech%20II/USC%20Mech%20II.html
8	Yang M.， Wan Z.， Tan N.， Zhang C.， Wang J.， Li X.， Combust. Flame， 2020， 221， 20—40
9	Wang L.， Liu Y.， Bi G.， Zhang L.， Song J.， Fuel Process. Technol.， 2022， 229， 107167
10	Ansys Fluent Release 14.5， Ansys Inc.， Canonsburg， PA， 2012
11	Singh D. J.， Jachimowski C. J.， Aiaa J.， 1994， 32（1）， 213—216
12	Wang Q.， Panigrahy S.， Yang S.， Martinez S.， Liang J.， Curran H. J.， Energ. Fuel.， 2021， 35（8）， 6921—6927
13	Wang H.， Xu R.， Wang K.， Bowman C. T.， Hanson R. K.， Davidson D. F.， Brezinsky K.， Egolfopoulos F. N.， Combust. Flame， 2018， 193， 502—519
14	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
15	Li X. Y.， Shentu J. T.， Li Y. W.， Li J. Q.， Wang 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
16	Li Y. W.， Shentu J. T.， Wang J. B.， Li X. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（6）， 1871—1880
	李宜蔚，申屠江涛，王静波，李象远. 高等学校化学学报， 2021， 42（6）， 1871—1880
17	Ren H. S.， Wang J. B.， Li X. Y.， Combustion Dynamics， Sichuan（CDS）， Center for Combustion Dynamics， Sichuan University， 2021， https：//cds.scu.edu.cn
18	Chemkin⁃Pro 15112， Reaction Design， San Diego， 2011
19	Saxena S.， Kahandawala M. S. P.， Sidhu S. S.， Combust. Flame， 2011， 158（6）， 1019—1031
20	Pan L.， Zhang Y.， Zhang J.， Tian Z.， Huang Z.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2014， 39（11）， 6024—6033
21	Hu E.， Chen Y.， Zhang Z.， Li X.， Cheng Y.， Huang Z.， Energ. Fuel， 2015， 29（7）， 4557—4566
22	Noorani K. E.， Akih⁃Kumgeh B.， Bergthorson J. M.， Energ. Fuel， 2010， 24（11）， 5834—5843
23	Hirasawa T.， Sung C. J.， Joshi A.， Yang Z.， Wang H.， Law C. K.， P. Combust. Inst.， 2002， 29（2）， 1427—1434
24	Jomaas G.， Zheng X. L.， Zhu D. L.， Law C. K.， P. Combust. Inst.， 2005， 30（1）， 193—200
25	Hassan M. I.， Aung K. T.， Kwon O. C.， Faeth G. M.， J. Propul. Power， 1998， 14（4）， 479—488
26	Lowry W.， de Vries J.， Krejci M.， Petersen E.， Serinyel Z.， Metcalfe W.， Curran H.， Bourque G.， J. Eng. Gas Turbines Power， 2011， 133（9）， 091501—091509
27	Kochar Y.， Seitzman J.， Lieuwen T.， Metcalfe W.， Burke S.， Curran H.， Krejci M.， Lowry W.， Petersen E.， Bourque G.， Turbo Expo： Power for Land， Sea， and Air， 2011， GT2011⁃45122， 129—140
28	van Lipzig J. P. J.， Nilsson E. J. K.， de Goey L. P. H.， Konnov A. A.， Fuel， 2011， 90（8）， 2773—2781
29	Egolfopoulos F. N.， Du D. X.， Law C. K.， Symp.（Int.） Combust.， 1992， 24（1）， 833—841
30	Gülder Ö. L.， Symp.（Int.） Combust.， 1982， 19（1）， 275—281

[1]	XIA Wenwen, YU Hongjing, WANG Shiye, YAO Li, LI Xiangyuan. Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network： Combustion of Aromatic Hydrocarbon [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(4): 20220616.
[2]	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.
[3]	TAN Ning-Xin, WANG Jing-Bo, HUA Xiao-Xiao, LI Ze-Rong, LI Xiang-Yuan*. Combustion Mechanism and Kinetic Modeling Study of Methyl Cyclohexane at High Temperature [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(8): 1832.
[4]	ZHANG Yuan-Qin, ZENG Xian-Cheng, HU Qi-Shan, MENG Xiang-Guang, TIAN An-Min . Analog Thermogram Method(Ⅲ)──Reversible Reactions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1997, 18(8): 1369.
[5]	LIU Jing-Song, ZENG Xian-Cheng, DENG Yu . Reduced Extent Method in Studies of Thermokinetics (Ⅲ)——Studies on Thermokinetics of the 2-Ⅰ Reversible Reaction [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1993, 14(4): 531.
[6]	ZENG Xian-cheng, LIU Qing-hua, DENG Yu . Studies on Thermokinetics of Reversible Reaction Kinetics——Mathematical Models and Studying Methods [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1992, 13(7): 972.

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