Optimization of Kinetic Mechanism for Methane Combustion Based on Machine Learning

doi:10.7503/cjcu20240296

Abstract

Abstract:

In this work， the experimental data of ignition delay time（T=1084—2175 K， p=7.3×10⁴—2.4×10⁶ Pa， φ=0.2—2.0） and laminar flame speed（T=293—600 K， p=5.1×10⁴—1.1×10⁶ Pa， φ=0.4—2.0） were taken as the optimization objectives based on the machine-learning model constructed by radial basis function interpolation method， and pre-exponential factors and activation energies of CH₄ combustion mechanism were optimized， and a CH₄ combustion mechanism that can be used in a wide range of working conditions was obtained. Compared with the Ori-CH₄ mechanism， the mean error of the Opt-CH₄ mechanism is reduced by 57.46% in the ignition delay times and 21.55% in the laminar flame speeds. The Opt-CH₄ mechanism was used to predict the ignition delay times， laminar flame speeds and the variation tendency of species concentration in jet stirred reactor. The Opt-CH₄ mechanism showed superior prediction accuracy. Under the conditions of T=1491.5 K， p=1.0×10⁵ Pa， 4.988%CH₄\19.953%O₂\75.059%N₂（volume fraction）， the difference of sensitivity of CH₃+O₂CH₂O+OH and CH₂O+O₂HCO+HO₂ in each mechanism is the main reason for the difference of prediction accuracy of CH₄ mechanism before and after optimization. Therefore， the machine learning method has a broad application prospect in the optimization of fuel combustion reaction kinetics mechanism parameters.

Key words: Methane combustion, Machine learning, Chemical kinetics, Mechanism optimization

CLC Number:

O643

TrendMD:

CAO Shuangshuang, HUANG Jiyong, LI Wei, ZHANG Houjun, LI Xiangyuan, HAN You. Optimization of Kinetic Mechanism for Methane Combustion Based on Machine Learning[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(10): 20240296.

Figures/Tables 8

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No.	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	A_opt/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）	E_a，opt/（J·mol^‒1）
1	CH₄+OHCH₃+H₂O	4.13×10¹³	3.24×10¹³	27029	20297
2	CH₄+O₂CH₃+HO₂	1.04×10¹³	2.63×10¹³	238237	230928
3	CH₄+MCH₃+H+M	3.0×10¹⁶	2.23×10¹⁷	358987	364334
	H₂/2.00/H₂O/6.00/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/He/0.70/Ar/0.70/^*
4	CH₃+OHCH₂+H₂O	7.0×10¹²	6.99×10¹³	0	0
5	CH₃+O₂CH₂O+OH	6.38×10¹¹	1.15×10¹²	56484	52923
6	CH₃+MCH₂+H+M	2.24×10¹⁵	5.97×10¹⁵	346017	338046
	H₂/2.00/H₂O/6.00/Ar/0.70/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/He/0.70/^*
7	CH₂O+HO₂HCO+H₂O₂	6.42×10¹²	9.19×10¹²	75354	72212
8	CH₂O+O₂HCO+HO₂	7.07×10¹⁶	1.03×10¹⁶	195476	203844
9	CH₂+O₂HCO+OH	8.06×10¹²	1.28×10¹³	6276	7255
10	HCO+O₂CO+HO₂	3.7×10¹³	6.34×10¹³	13012	10096
11	HCO+MH+CO+M	1.05×10¹⁴	1.03×10¹⁵	54392	53777
	H₂/2.00/H₂O/6.00/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/^*
12	CO+OHH+CO₂	9.72×10¹¹	2.01×10¹²	11004	11845
13	CO+O₂CO₂+O	2.53×10¹³	9.54×10¹²	199995	199870
14	H₂O₂（+M）OH+OH（+M）	2.21×10¹⁵	2.71×10¹⁵	210162	211007
	Low pressure limit	4.17×10¹⁵	4.19×10¹⁶	188113	190272
	H₂O/7.65/N₂/1.50/O₂/1.20/H₂O₂/7.70/H₂/3.70/He/0.65/^*
15	H₂+HO₂H₂O₂+H	3.01×10¹³	4.46×10¹³	109119	102249
16	H₂+OHH+H₂O	4.38×10¹³	3.29×10¹³	29246	31577
17	H₂+O₂HO₂+H	1.76×10¹⁴	1.79×10¹⁴	241919	239998
18	H₂+OH+OH	6.83×10¹³	9.80×10¹³	43430	45961
19	H₂+MH+H+M	3.33×10¹⁴	4.56×10¹⁴	427061	423701
	H₂/2.50/H₂O/12.00/He/0.83/^*
20	HO₂+HOH+OH	7.08×10¹³	5.18×10¹³	6276	4648
21	H+O₂（+M）HO₂（+M）	1.14×10¹⁴	1.30×10¹⁴	0	0
	Low pressure limit	2.28×10¹⁵	3.48×10¹⁵	0	0
	H₂/1.30/H₂O/10.00/He/0.64/Ar/0.50/^*
22	O₂+HO+OH	1.04×10¹⁴	1.54×10¹⁴	65270	66078

No.	Reaction	A/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	A_opt/（cm³·mol^‒1·s^‒1）	E_a/（J·mol^‒1）	E_a，opt/（J·mol^‒1）
1	CH₄+OHCH₃+H₂O	4.13×10¹³	3.24×10¹³	27029	20297
2	CH₄+O₂CH₃+HO₂	1.04×10¹³	2.63×10¹³	238237	230928
3	CH₄+MCH₃+H+M	3.0×10¹⁶	2.23×10¹⁷	358987	364334
	H₂/2.00/H₂O/6.00/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/He/0.70/Ar/0.70/^*
4	CH₃+OHCH₂+H₂O	7.0×10¹²	6.99×10¹³	0	0
5	CH₃+O₂CH₂O+OH	6.38×10¹¹	1.15×10¹²	56484	52923
6	CH₃+MCH₂+H+M	2.24×10¹⁵	5.97×10¹⁵	346017	338046
	H₂/2.00/H₂O/6.00/Ar/0.70/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/He/0.70/^*
7	CH₂O+HO₂HCO+H₂O₂	6.42×10¹²	9.19×10¹²	75354	72212
8	CH₂O+O₂HCO+HO₂	7.07×10¹⁶	1.03×10¹⁶	195476	203844
9	CH₂+O₂HCO+OH	8.06×10¹²	1.28×10¹³	6276	7255
10	HCO+O₂CO+HO₂	3.7×10¹³	6.34×10¹³	13012	10096
11	HCO+MH+CO+M	1.05×10¹⁴	1.03×10¹⁵	54392	53777
	H₂/2.00/H₂O/6.00/CO/1.50/CO₂/2.00/CH₄/2.00/^*
12	CO+OHH+CO₂	9.72×10¹¹	2.01×10¹²	11004	11845
13	CO+O₂CO₂+O	2.53×10¹³	9.54×10¹²	199995	199870
14	H₂O₂（+M）OH+OH（+M）	2.21×10¹⁵	2.71×10¹⁵	210162	211007
	Low pressure limit	4.17×10¹⁵	4.19×10¹⁶	188113	190272
	H₂O/7.65/N₂/1.50/O₂/1.20/H₂O₂/7.70/H₂/3.70/He/0.65/^*
15	H₂+HO₂H₂O₂+H	3.01×10¹³	4.46×10¹³	109119	102249
16	H₂+OHH+H₂O	4.38×10¹³	3.29×10¹³	29246	31577
17	H₂+O₂HO₂+H	1.76×10¹⁴	1.79×10¹⁴	241919	239998
18	H₂+OH+OH	6.83×10¹³	9.80×10¹³	43430	45961
19	H₂+MH+H+M	3.33×10¹⁴	4.56×10¹⁴	427061	423701
	H₂/2.50/H₂O/12.00/He/0.83/^*
20	HO₂+HOH+OH	7.08×10¹³	5.18×10¹³	6276	4648
21	H+O₂（+M）HO₂（+M）	1.14×10¹⁴	1.30×10¹⁴	0	0
	Low pressure limit	2.28×10¹⁵	3.48×10¹⁵	0	0
	H₂/1.30/H₂O/10.00/He/0.64/Ar/0.50/^*
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