氨/乙醚（DEE）火焰燃烧的简化化学动力学机制的建立

《Fuel》：Development of a reduced chemical kinetic mechanism for the combustion of ammonia/diethyl ether (DEE) flames

基于Dai等提出的详细NH3-DEE化学动力学模型，开发了包含99种物种和956个基元反应的简化模型，验证其在点火延迟时间、火焰速度及2D-DNS模拟中的准确性，计算效率较详细模型提升50%-83.45%。

　　在当前研究中，科学家们开发了一种简化的化学动力学模型，用于分析氨（NH?）与二乙醚（DEE）混合燃料的燃烧特性。该模型包含99种化学物质和956个基本反应，是基于更详细的Dai NH?-DEE模型（包含281种物质和2255个反应）进行优化和缩减后的结果。研究团队通过实验数据与主机制预测的对比，发现该简化模型在多个关键燃烧参数上表现良好，包括点火延迟时间（IDTs）、火焰传播速度以及在不同操作条件下的物种摩尔分数分布。具体而言，在压力范围1–40 atm、温度范围600–1700 K以及当量比范围0.5–2.0的情况下，该模型在点火延迟时间上的绝对误差小于18.32%，而在火焰传播速度上的最大误差百分比小于5.2%。此外，该简化模型在二维（2D）插槽预混湍流火焰的直接数值模拟（DNS）中也展现了良好的适用性，其计算效率相较于详细模型显著提升。

全球气候变化是当今人类社会面临的最严峻挑战之一，其影响范围广泛，威胁着生态系统的稳定性。燃烧化石燃料所产生的二氧化碳（CO?）是导致这一危机的主要原因之一。随着全球人口增长和生活水平提高，能源需求也在迅速增加，预计到2050年将增长约50%。尽管可再生能源（如太阳能、风能和水能）在逐步发展，但目前仍难以完全满足这一需求。因此，化石燃料仍将在未来的全球能源结构中占据重要地位。为了应对这一挑战，各国政府正在实施严格的政策，以减少碳排放并推动净零排放目标。同时，能源领域的技术创新也在不断推进，例如开发能够在更高压力和更低温度下运行的发动机，以提高整体热效率。

在过去的几十年中，氨作为一种零碳排放的替代燃料，受到了广泛关注。其燃烧过程中不会产生二氧化碳，这使其成为减少温室气体排放的重要手段。氨的高氢含量和相对较低的储存成本，使其在燃料供应方面具有一定的优势。氨可以常温常压下液化，且其单位体积的能量密度（11.5 MJ/L）高于液态氢（8.5 MJ/L）。此外，氨具有较高的辛烷值（130），这有助于提高火花点火发动机的抗爆性能。然而，氨的燃烧特性仍面临诸多挑战，包括其低反应性、较长的点火延迟时间、较低的层流火焰传播速度、较高的自燃温度（930 K，相较于甲烷的859 K）、较高的蒸发潜热（1371 kJ/kg，相较于汽油的271 kJ/kg）、较高的毒性以及较窄的可燃极限（空气中的体积百分比为16–25%）。为了解决这些问题，研究者建议将氨与其他高反应性燃料（如氢气、碳氢化合物或含氧化合物）进行共燃，以提升燃烧性能。这一策略已在多个研究中得到验证，特别是在内燃机（ICE）应用中，氨与氢气或二乙醚的混合燃料展现出较好的燃烧特性。

二乙醚作为一种来源于生物质的清洁柴油替代品，被认为是一种高反应性的含氧燃料。其主要通过醇类的脱水反应获得，具有较高的十六烷值（125–139），远高于二甲醚（DME）的十六烷值（55–60）。此外，二乙醚的能量密度也高于乙醇（32），这使其在压缩点火发动机中具有一定的应用潜力。相比柴油，二乙醚具有更好的雾化特性，这与其较低的Ohnesorge数和较高的雷诺数有关。同时，二乙醚含有较少的芳香化合物，有助于减少积碳的形成。在高压条件下，二乙醚的添加可以显著缩短氨的点火延迟时间，例如在10%的二乙醚添加量下，其点火延迟时间与FACE（先进燃烧发动机燃料）汽油在相同操作条件下相似。因此，氨与二乙醚的混合燃料在燃烧性能和环境影响方面具有重要的研究价值。

目前，针对氨与二乙醚混合燃料的化学动力学模型仍然存在一定的局限性。尽管已有多个研究提出相关模型，但这些模型的复杂度较高，包含大量化学物质和反应，导致计算成本高昂，难以在实际工程应用中推广。因此，开发一种简化但精确的化学动力学模型成为当务之急。研究团队通过结合DRGEP（Directed Relation Graph with Error Propagation）方法和敏感性分析（SA）对关键化学物质进行筛选，最终构建了一个包含99种物质和956个基本反应的简化模型。该模型不仅保留了详细模型的核心反应路径，还通过去除次要反应提高了计算效率。在点火延迟时间的计算中，该模型的计算时间仅为详细模型的一半；在火焰传播速度的计算中，其计算时间约为详细模型的三分之一；而在二维DNS模拟中，其计算时间比详细模型减少了约83.45%。这些改进使得该简化模型能够在高保真燃烧模拟中广泛应用，例如在大型实际发动机中的大涡模拟（LES）或直接数值模拟（DNS）中。

为了验证该简化模型的准确性，研究团队进行了多方面的实验和模拟分析。其中包括对点火延迟时间的验证，通过零维理想气体反应器在绝热条件下进行模拟，并与实验数据进行对比。此外，还对火焰传播速度进行了分析，评估其在稀薄和当量条件下与实验趋势的一致性。研究团队还通过DNS方法对二维插槽预混湍流火焰进行了模拟，分析了温度、热释放速率、燃料质量分数（如NH?和DEE）、产物质量分数（如CO?和H?O）、中间反应物OH自由基以及主要排放物（如CO和NO）的分布情况。这些分析结果与详细模型的模拟结果相比，显示出良好的一致性，表明该简化模型在预测燃烧特性方面具有较高的可靠性。

在实际应用中，该简化模型可以用于计算流体动力学（CFD）模拟，以评估氨与二乙醚混合燃料在发动机中的燃烧行为。通过使用OpenFOAM平台开发的二维可压缩求解器，研究团队能够更高效地模拟复杂的燃烧过程。这不仅有助于优化发动机设计，还能够为燃料配方的改进提供科学依据。此外，该模型还可以用于指导新型清洁能源的发展，例如合成碳中性燃料、生物衍生燃料和零碳燃料的应用。这些燃料的推广将有助于实现可持续发展目标，同时减少对环境的负面影响。

总之，氨与二乙醚混合燃料的燃烧研究具有重要的现实意义和科学价值。开发一种简化但精确的化学动力学模型，不仅能够提高计算效率，还能够为实际应用提供可靠的预测工具。通过结合多种模型缩减方法，研究团队成功构建了一个适用于高保真燃烧模拟的简化模型，并通过实验和模拟验证了其准确性。该模型的广泛应用将有助于推动清洁能源技术的发展，提高发动机的燃烧效率，减少污染物排放，并为实现全球碳中和目标提供支持。同时，该研究也为未来的燃烧模型开发提供了新的思路和方法，为相关领域的科学研究和工程应用奠定了基础。