基于DRGEPSA与ZND模型优化的氨氢混合燃料爆轰简化机理研究及其多尺度适用性验证

推荐 为解决氨/氢混合燃料爆轰模拟中计算效率与精度难以平衡的问题，研究人员通过DRGEPSA方法和ZND模型系统性简化详细反应机理，开发了RM1、RM2及优化后的RM3-II三种简化机理。结果表明，RM1适用于DDT研究，RM2适配直接起爆模拟，而RM3-II在大规模爆轰场景中兼具精度与效率，显著提升了多尺度模拟的可行性。

　　

论文解读
研究背景与问题提出
氨/氢（NH₃/H₂）混合燃料因其清洁性与高能量密度，成为未来能源体系的重要候选者。然而，其爆轰（Detonation）过程的复杂性——包括直接起爆（Direct Initiation）与爆燃转爆轰（Deflagration-to-Detonation Transition, DDT）两种路径——对数值模拟提出了极高要求。传统详细反应机理虽能精准描述化学反应过程，但计算成本高昂，难以满足大规模模拟需求。为此，开发兼顾效率与精度的简化机理成为研究焦点。

研究机构与方法
本研究由中国科研团队主导，基于Zel'dovich-von Neumann-D?ring（ZND）模型构建初始条件，并采用Direct Relation Graph with Error Propagation and Sensitivity Analysis（DRGEPSA）方法对详细机理进行系统性简化。通过多目标优化算法NSGA-II进一步改进RM3机理，最终形成三类简化模型：RM1、RM2及优化版RM3-II。

技术方法概述

1. DRGEPSA方法：结合直接关系图（Direct Relation Graph, DRG）与误差传播分析，识别并剔除冗余反应路径。
2. ZND模型：以激波后温度与压力为初始条件，建立爆轰波结构模型。
3. 多目标优化算法NSGA-II：平衡计算资源消耗与预测精度，优化RM3机理参数。

研究结果

1. 简化机理开发

   • RM1：通过DRGEPSA方法剔除低敏感度反应，适用于小尺度模拟与DDT研究，计算效率提升显著。
   • RM2：针对直接起爆场景优化，保留关键链式反应路径，确保冲击波传播稳定性。
   • RM3-II：基于NSGA-II优化后的RM3，在大规模模拟中兼具高精度与低计算成本，验证了其在复杂流场中的适用性。

2. 多尺度验证
   在不同氢含量混合比（如X_H2=50%）条件下，三类简化机理均表现出合理预测能力。其中，RM1在亚音速爆轰场景中误差低于5%，而RM3-II在超音速爆轰中维持了90%以上的精度。

结论与意义
本研究成功构建了适用于多尺度氨氢爆轰模拟的简化机理体系。RM1与RM2分别针对DDT与直接起爆场景优化，而RM3-II通过多目标优化实现了大规模计算的高效性。该成果为氨氢燃料的安全评估与燃烧控制提供了理论支撑，并推动了大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）等技术在清洁能源领域的应用。研究团队通过系统性方法论创新，解决了传统机理“精度-效率”难以兼顾的痛点，为后续爆轰动力学研究奠定了重要基础。

补充说明
本文成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，其简化机理已被纳入开源化学动力学软件包，促进了学术界与工业界的跨领域合作。未来研究将聚焦于动态边界条件下的机理适应性拓展，以应对更复杂的实际工程场景。