滕霖，單志偉，李西貴，李衛(wèi)東，羅宇，江莉龍

福州大學(xué)化工學(xué)院，福州 350108

0 引言

氨（NH3）被認(rèn)為是世界未來(lái)經(jīng)濟(jì)的重要資源，其應(yīng)用涉及能源行業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、制冷業(yè)、農(nóng)業(yè)以及其他行業(yè)［1］。氨成為國(guó)際低碳替代燃料的選擇和可再生氫（H2）的載體［2］，氫也被視為最有潛力的可替代燃料、無(wú)碳燃料［3］。Khatee 等［4］得出氨-氫空氣混合物具有穩(wěn)定的火焰和較低的一氧化氮排放量，具有作為燃料的巨大潛力，但是氨、氫的能量密度均較高，具有易泄漏、爆炸范圍廣（氫氣的爆炸極限為4.1% ～ 74.1%、氨氣的爆炸極限為15.5% ～27.7%）、點(diǎn)火能量低（其中氫氣僅為0.017 MJ）、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓葐?wèn)題［5］，所以氨在分解制氫等應(yīng)用環(huán)節(jié)一旦遇到意外的點(diǎn)火源，極易在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生爆炸，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和損失［6］。

已有研究對(duì)氨-氫混合氣體燃燒爆炸機(jī)理的研究較為有限［7-8］。早期描述氨燃燒化學(xué)的嘗試主要集中在氮氧化物（NOx）的形成。受此啟發(fā)，一些學(xué)者［9-13］對(duì)包括氨-氫-氧和氨-氧在內(nèi)的一組預(yù)混火焰進(jìn)行了系統(tǒng)和詳細(xì)的研究，確定了自由基·NO和·NH2與·N 反應(yīng)形成N2以及確定·NO 轉(zhuǎn)化路徑的重要性，旨在開(kāi)發(fā)與各種燃燒系統(tǒng)相關(guān)的可行氨-氫反應(yīng)機(jī)理。

Zhu 等［7］使用了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，在充滿氨-氫-氧的混合物的二維阻塞通道中模擬了火焰?zhèn)鞑ズ蛷谋嫁D(zhuǎn)變?yōu)楸Z的過(guò)程。Li 等［14］研究了氫-氨-空氣云爆炸特性，并揭示了火焰行為和最大爆炸壓力之間的相關(guān)性。Zhou 等［15］證明了向氨-氧混合物中添加微量氫可以定性地將爆炸極限從單調(diào)情況改變?yōu)榉菃握{(diào)情況，并且爆炸極限圖像具有多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Liu 等［16］基于靈敏度和特征值分析方法，研究氨-氫-氧混合物的爆炸極限特性，并構(gòu)建了高效的氨-氫爆炸極限預(yù)測(cè)機(jī)制。Liang 等［17］研究氨-空氣火焰特性和爆炸超壓，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了火焰行為、層流燃燒速度和超壓動(dòng)力學(xué)等特征。

上述對(duì)氨-氫氣體的研究，均集中在氨-氫燃燒爆炸壓力和爆炸極限體系，得到的均為壓力方面特性，而關(guān)于燃燒爆炸機(jī)制的研究屈指可數(shù)，造成采用數(shù)值模擬計(jì)算氨-氫系統(tǒng)燃燒爆炸過(guò)程消耗了大量計(jì)算資源，無(wú)法高效指導(dǎo)氨-氫混合無(wú)碳燃料的燃燒過(guò)程及爆炸防控。為此，優(yōu)選出目前已有的詳細(xì)氨-氫燃燒機(jī)理，利用帶有誤差傳播的有向關(guān)系圖（DRGEP）法與耦合誤差傳播和敏感性分析的直接關(guān)系圖（DRGEPSA）法簡(jiǎn)化詳細(xì)機(jī)理。將簡(jiǎn)化機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間和層流火焰速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值相比較，驗(yàn)證機(jī)理的可行性。進(jìn)而將簡(jiǎn)化后化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合，開(kāi)展燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究。分析在特定爆破壓力條件下，簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的平均激波速度，以期完善對(duì)氨-氫混合氣體燃燒爆炸機(jī)理的認(rèn)識(shí)，推進(jìn)氨-氫燃燒模擬技術(shù)的發(fā)展。

1 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

1.1 反應(yīng)機(jī)理優(yōu)選

對(duì)多個(gè)氨- 氫燃燒反應(yīng)機(jī)理［18-24］與實(shí)驗(yàn)結(jié)果［25-29］進(jìn)行對(duì)比研究，以期優(yōu)選出合適的反應(yīng)機(jī)理（見(jiàn)圖1、圖2）。在預(yù)測(cè)點(diǎn)火延遲時(shí)間方面，Song等［18］、Tian 等［19］和Klippenstein 等［21-22］的模型普遍低于實(shí)驗(yàn)值；Otomo 等［24］和Dagaut 等［20］的模擬值與實(shí)驗(yàn)值達(dá)到了良好的一致；Mathieu 等［23］改進(jìn)了Dagaut 等［20］的模型，通過(guò)增加關(guān)鍵的基本反應(yīng)和調(diào)整反應(yīng)速率常數(shù)，優(yōu)化了模型，優(yōu)化后的模型也能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了點(diǎn)火延遲時(shí)間，但在預(yù)測(cè)氨燃燒火焰速度方面明顯高于實(shí)驗(yàn)值。在預(yù)測(cè)層流火焰速度方面，Otomo 等［24］的模擬值與實(shí)驗(yàn)值十分吻合，但其他機(jī)理均未能準(zhǔn)確重現(xiàn)火焰速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此只有Otomo 等［24］的機(jī)理符合需求。

圖1 大氣壓下激波管點(diǎn)火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)值與各種機(jī)理模擬值的對(duì)比關(guān)系

圖2 不同當(dāng)量比下層流火焰速度實(shí)驗(yàn)值與各種機(jī)理模擬值的對(duì)比關(guān)系（初始?jí)毫? atm）

由圖1 和圖2，點(diǎn)火延遲時(shí)間和層流火焰速度在使用Otomo 等［24］的機(jī)理得出的模擬值均與實(shí)驗(yàn)高度一致。并且Otomo 等［24］基于Song 等［18］的模型，對(duì)氨氧化反應(yīng)機(jī)制作出相應(yīng)改進(jìn)。在目前的模型（Otomo 機(jī)理）中，包括自由基·NH2、·HNO和·N2H2的反應(yīng)在改進(jìn)模型中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在Otomo 等［24］的研究中，詳細(xì)機(jī)理已被廣泛用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［30-32］和模擬研究［32-34］，所以本次研究基于Otomo 等［24］的機(jī)理（包含33 種組分和213 個(gè)基元反應(yīng)），對(duì)氨-氫燃燒的詳細(xì)機(jī)理開(kāi)展進(jìn)一步簡(jiǎn)化研究。的表示方法是阿倫尼馬斯方程的一個(gè)變形，用于描述溫度如何影響反應(yīng)速率。

在機(jī)理簡(jiǎn)化方法方面，Lu 等［35］最初引入了有向關(guān)系圖（DRG）法，成功地將乙烯機(jī)理從70 個(gè)物種和463 個(gè)反應(yīng)簡(jiǎn)化為33 個(gè)物種和205 個(gè)反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。后續(xù)Zheng 等［36］融合了誤差傳播策略，提出了DRGEP 版本。但這些方法仍有缺陷，如DRG法在識(shí)別多余反應(yīng)上存在短板，DRGEP 法因線性耦合會(huì)產(chǎn)生誤差。為改進(jìn)上述問(wèn)題，Niemeyer 等［37］開(kāi)創(chuàng)了結(jié)合誤差傳播和敏感性分析的DRGEPSA 法，將DRG 法、DRGEP 法、DRGASA 法、DRGEPSA 法這4 種簡(jiǎn)化方法應(yīng)用于正庚烷的詳細(xì)機(jī)理分析，對(duì)它們的的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，在特定條件下（1 atm、1 000 K、當(dāng)量比為0.5 ～ 1.5）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該復(fù)雜機(jī)理涉及561 種化合物和2 539 個(gè)反應(yīng)過(guò)程，誤差限定在0.5% ～ 40%。如圖3 所示，DRGEPSA 法在整個(gè)誤差范圍內(nèi)，能夠形成更精簡(jiǎn)的骨架機(jī)理。特別是當(dāng)誤差范圍超過(guò)20%后，化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量變化減小，這表明多余反應(yīng)已被有效剔除，而進(jìn)一步的剔除可能導(dǎo)致重大影響。DRGEPSA 法因其在移除無(wú)效組分和反應(yīng)時(shí)，更精準(zhǔn)地保持了關(guān)鍵氧化反應(yīng)，被認(rèn)為是一種高效的方法［38-41］。因此，本研究采用DRGEPSA 法來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)理并實(shí)現(xiàn)包括對(duì)直接相互作用系數(shù)（DIC）的改進(jìn)定義。這種改進(jìn)是必要的，因?yàn)樵谏婕翱焖倌Ｊ降拈L(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)路徑的情況下，原始定義存在缺陷［42］。DRGEP 法利用DRG 來(lái)描述反應(yīng)系統(tǒng)中物種耦合的依賴(lài)關(guān)系，圖4 所示展示了DRG中物種之間的典型關(guān)系。箭頭表示一種物種對(duì)另一種物種的依賴(lài)方向，寬度表示依賴(lài)的強(qiáng)度。因此，對(duì)于必須保留的物種A 來(lái)說(shuō)，可以看到物種A 依賴(lài)于物種B，但物種B 不依賴(lài)于物種A。此外，由于物種B 和物種D 緊密耦合，它們形成了物種A 的依賴(lài)集｛B,D｝，必須保留以正確預(yù)測(cè)物種A。然而，物種C、E、F 可以被消除，因?yàn)樗鼈兗炔槐晃锓NA需要，也不被物種A 的依賴(lài)集中的任何物種所需。此外，在緊密耦合的群體內(nèi)，如｛B,D｝和｛E,F｝，物種應(yīng)該被一起保留或一起消除。

圖3 使用DRG、DRGEP、DRGASA 和DRGEPSA 生成正庚烷骨架機(jī)理誤差限制函數(shù)的物種數(shù)量

圖4 DRG 法物種典型關(guān)系示意

為了獲取簡(jiǎn)化機(jī)理，首先將詳細(xì)機(jī)理導(dǎo)入CHEMKIN 軟件的零維均質(zhì)模型中，初始條件設(shè)定為溫度為1 000 K、1 250 K 和1 500 K，當(dāng)量比為0.5、1 和2，初始?jí)毫?.87 atm、39.48 atm 和59.22 atm，并以點(diǎn)火延遲時(shí)間、·H、·OH、·NH2、·HNO 和·N2H2的摩爾分?jǐn)?shù)作為目標(biāo)參數(shù)；設(shè)定10%的誤差閾值；得到初步簡(jiǎn)化機(jī)理；再通過(guò)加入敏感性分析，保留敏感性系數(shù)較大的基元反應(yīng)，并剔除敏感性系數(shù)較小的基元反應(yīng)，得到最終的氨-氫簡(jiǎn)化機(jī)理。考慮到基于氨-氫的化學(xué)機(jī)制的復(fù)雜性，本研究在詳細(xì)機(jī)理的基礎(chǔ)上未修改速率系數(shù)、溫度指數(shù)等參數(shù)。通過(guò)采用DRGEPSA 法去除了詳細(xì)機(jī)理中的冗余反應(yīng)，最終得到了一個(gè)包含19 種組分和100 個(gè)基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。圖5 表示氨-氫化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的簡(jiǎn)化過(guò)程。

圖5 DRGEPSA 機(jī)理簡(jiǎn)化流程

1.2 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證

點(diǎn)火延遲時(shí)間和層流火焰速度對(duì)自然燃燒爆炸的影響至關(guān)重要［43-44］。點(diǎn)火延遲時(shí)間描述混合氣體從點(diǎn)燃至燃燒的時(shí)間差，關(guān)系到爆炸的突發(fā)性；層流火焰速度反映火焰在無(wú)湍流的情況下的傳播快慢，決定燃燒強(qiáng)度［45-46］。以上2 個(gè)參數(shù)是評(píng)估燃燒和爆炸潛在危險(xiǎn)性的關(guān)鍵，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證和探討。

1.2.1 點(diǎn)火延遲時(shí)間驗(yàn)證

將簡(jiǎn)化機(jī)理在CHEMKIN 中得出的模擬數(shù)據(jù)與Mathieu 等［23］在激波管上測(cè)量得到的氨點(diǎn)火延遲時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參照。初始條件：當(dāng)量比為0.5、1.0 和2.0，初始?jí)毫?.4 atm、11.0 atm 和30.0 atm，初始溫度為1 500 ～ 2 500 K。圖6 表示了詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，可以看出，詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理在氨點(diǎn)火延遲方面均表現(xiàn)良好，而詳細(xì)機(jī)理顯示出更高的準(zhǔn)確性。當(dāng)量比為0.5，壓力為1.4 atm 時(shí)，相較于詳細(xì)機(jī)理，簡(jiǎn)化機(jī)理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度更高；當(dāng)量比為0.5，壓力分別為11 atm 和30 atm 時(shí)，在較高的溫度下，與詳細(xì)機(jī)理對(duì)比，簡(jiǎn)化機(jī)理低估了點(diǎn)火延遲時(shí)間，但是和實(shí)驗(yàn)值更加吻合，在較低的溫度下，與詳細(xì)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，簡(jiǎn)化機(jī)理高估了點(diǎn)火延遲時(shí)間。這是由于簡(jiǎn)化機(jī)理去掉了部分參與對(duì)低溫敏感的的組分及基元反應(yīng)，使得低溫下的反應(yīng)預(yù)測(cè)較詳細(xì)機(jī)理略微不準(zhǔn)確。

圖6 不同當(dāng)量比下的點(diǎn)火延遲時(shí)間驗(yàn)證

1.2.2 層流火焰速度驗(yàn)證

圖7 展示了壓力為1 atm、3 atm 和5 atm 下的氨-氫-空氣混合物的層流火焰速度，經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證本模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，在不同壓力條件下，詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理均能良好地模擬氨-氫的層流火焰速度。在壓力為3 atm和5 atm 下，與Song 等［18］、Tian 等［19］機(jī)理得出的模擬值相比，簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理模型更加符合實(shí)驗(yàn)值。而在壓力為1 atm 下，Song 等［18］和Tian 等［19］的機(jī)理對(duì)實(shí)驗(yàn)值的預(yù)測(cè)比簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理更為準(zhǔn)確。因此，可以得出簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理模型在高壓條件下能夠很好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)值的結(jié)論。在H2占比較小時(shí)（摩爾分?jǐn)?shù)小于0.2），詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理比Song 等［18］和Tian 等［19］之前的模型更加符合Ichikawa 等［47］在3 atm 和5 atm 下的實(shí)驗(yàn)值，但是詳細(xì)機(jī)理比簡(jiǎn)化機(jī)理更接近實(shí)驗(yàn)值。在H2摩爾分?jǐn)?shù)較高區(qū)域，本模型和之前的模型之間的差異較小，這是由于氨-氫-空氣混合物中以H2燃燒為主導(dǎo)。值得注意的是，與詳細(xì)機(jī)理相比，簡(jiǎn)化機(jī)理與實(shí)驗(yàn)值的吻合程度更好。

圖7 氨-氫-空氣混合物層流火焰速度驗(yàn)證

1.2.3 基元反應(yīng)敏感性分析

圖8 顯示了對(duì)氨-氫混合物點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行的歸一化敏感性分析（各基元反應(yīng)具體信息見(jiàn)附錄A）。實(shí)驗(yàn)條件為：初始?jí)毫蜏囟确謩e為69.08 atm和1 500 K，添加的氨氣濃度分別為5%、10%和15%。基元反應(yīng)R1 和R13 對(duì)溫度的敏感性最為顯著，它們?cè)谡w反應(yīng)中起主導(dǎo)作用。其中，基元反應(yīng)R1 在燃燒過(guò)程中扮演了重要的推動(dòng)反應(yīng)，推動(dòng)燃燒向高溫方向發(fā)展。而基元反應(yīng)R13 則是重要的抑制反應(yīng)，限制了燃燒向高溫方向發(fā)展。此外，基元反應(yīng)R1、R3、R4、R13、R14、R15 和R17 的敏感性系數(shù)隨氨氣濃度的增加而降低。然而，氨氣的添加卻促進(jìn)了基元反應(yīng)R21 和R23 對(duì)溫度的敏感性，其中，R21 促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，而R23 則抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。因此，增加氨氣濃度導(dǎo)致點(diǎn)火延遲時(shí)間增加。需要注意的是，基元反應(yīng)R21 表明在氨-氫混合燃料中，NH3的分解產(chǎn)生了H2，而H2的生成又促進(jìn)了氨-氫混合物的燃燒。

圖8 歸一化的不同基元反應(yīng)的敏感性系數(shù)

2 CFD 模型驗(yàn)證

2.1 邊界條件和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本研究采用高壓氣體泄漏自燃的CFD 模型來(lái)驗(yàn)證氨-氫簡(jiǎn)化機(jī)理［51-54］，所建物理模型如圖9 所示。在左側(cè)高壓區(qū)域，氨-氫按一定比例預(yù)混。計(jì)算域?yàn)? mm×900 mm 的矩形管。計(jì)算區(qū)域的左邊界為定義為壓力入口邊界條件。管道末端定義為壓力出口邊界條件。爆破片將高壓區(qū)與低壓區(qū)隔離開(kāi)來(lái)。無(wú)論打開(kāi)過(guò)程如何，爆破片都被認(rèn)為是瞬間破裂。高壓儲(chǔ)罐和管道的壁面定義為絕熱壁面邊界條件。

圖9 物理模型示意

為確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。如圖10 所示，在爆破壓力為69.08 atm 時(shí)，對(duì)比了3 種網(wǎng)格數(shù)（13 264 個(gè)、14 480 個(gè)和16 064 個(gè)）下的管內(nèi)最高溫度隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，13 264 個(gè)網(wǎng)格數(shù)的模擬結(jié)果誤差較大，14 480 個(gè)網(wǎng)格數(shù)和16 064 個(gè)網(wǎng)格數(shù)的模擬結(jié)果誤差較小，管內(nèi)最高溫度曲線基本重合。因此，本研究中CFD 模型使用的網(wǎng)格數(shù)為14 480 個(gè)。

圖10 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.2 簡(jiǎn)化機(jī)理的CFD 驗(yàn)證

本研究將簡(jiǎn)化的氨-氫混合燃燒爆炸機(jī)理與CFD 模型耦合，并與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行對(duì)比的效果。采用了ANSYS FLUENT 19.0 軟件作為計(jì)算引擎，并使用基于控制體積的有限體積法進(jìn)行求解。在求解過(guò)程中，選擇雙精度、基于壓力的求解器，采用二階迎風(fēng)格式以提高計(jì)算精度。為處理湍流-化學(xué)相互作用并進(jìn)行燃燒計(jì)算，采用RNG k-ε 湍流模型（基于雷諾平均Navier-Stokes 方程的用于模擬湍流流動(dòng)的計(jì)算模型，適用于各種復(fù)雜流體流動(dòng)和湍流強(qiáng)度較高的情況）、EDC（Eddy Dissipation Concept，渦流耗散概念）燃燒模型以及提出的氨-氫簡(jiǎn)化機(jī)理。為減少計(jì)算時(shí)間，采用原位自適應(yīng)建表（ISAT）算法［52］進(jìn)行數(shù)值積分。同時(shí)，考慮到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率差異較大，本研究采用剛性化學(xué)求解器以提高化學(xué)反應(yīng)計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。使用PISO 算法進(jìn)行壓力-速度耦合。在模擬過(guò)程中，采用時(shí)間步長(zhǎng)為10-9s 的瞬態(tài)求解。并假設(shè)爆破片瞬間破裂，混合氣體被定義為理想氣體。最后將簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理分別耦合到之前建立的高壓氨-氫泄漏自燃CFD 模型中。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，Xu 等［53］的高壓氫氣泄漏自燃實(shí)驗(yàn)被選中來(lái)驗(yàn)證CFD 模型的合理性和準(zhǔn)確性。在模擬中，CFD 模型選擇與實(shí)驗(yàn)相同的條件和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖11 所示，對(duì)比了爆破壓力為59.61 atm 和69.77 atm 條件下，簡(jiǎn)化機(jī)理、詳細(xì)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)的平均激波速度。

圖11 簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理平均激波對(duì)比

從圖中可以觀察到，簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的仿真結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在實(shí)際過(guò)程中，較高的釋放壓力（Pburst=69.77 atm）下爆破片的多級(jí)破裂過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮波疊加現(xiàn)象更為明顯，這將增大了激波傳播速度［54-56］。爆破片破裂結(jié)束后，由于流體黏性、管壁摩擦等能量耗散作用，激波會(huì)穩(wěn)定地衰減，激波傳播速度也會(huì)隨之下降［53,57］。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激波傳播速度先增加后緩慢下降。由于簡(jiǎn)化機(jī)理去除了一些反應(yīng)，使得平均激波速度稍大，更符合氫氣燃燒的特性。在爆破壓力為59.61 atm 下，與詳細(xì)機(jī)理的最大相對(duì)誤差僅為1.55%，平均相對(duì)誤差為1.37%；在爆破壓力為69.77 atm 下，最大相對(duì)誤差僅為1.40%，平均相對(duì)誤差為1.16%。綜上所述，簡(jiǎn)化機(jī)理的可靠性得到了驗(yàn)證，這將大幅縮短氨-氫CFD 燃燒模擬的計(jì)算需求。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)應(yīng)用DRGEPSA 法成功簡(jiǎn)化了Otomo等［24］提出的詳細(xì)氨氫燃燒爆炸機(jī)理。簡(jiǎn)化過(guò)程不僅保留了原始機(jī)理的核心特征，同時(shí)顯著提高了計(jì)算效率，使得該機(jī)理更適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。簡(jiǎn)化后的機(jī)理在預(yù)測(cè)氨-氫混合物的燃燒和爆炸特性方面顯示出良好的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于分析和優(yōu)化氨-氫能源的儲(chǔ)運(yùn)及利用過(guò)程至關(guān)重要，特別是在安全性評(píng)估方面，為快速評(píng)估氨-氫能源系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)提供了有效的工具。此外，本研究也為無(wú)碳燃燒技術(shù)的發(fā)展提供了參考。簡(jiǎn)化機(jī)理有利于優(yōu)化燃燒過(guò)程，實(shí)現(xiàn)更高的能量效率和更低的有害排放。本文也將簡(jiǎn)化機(jī)理的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他研究者的模擬值進(jìn)行了比較，重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)火延遲時(shí)間和層流火焰速度。得出以下結(jié)論：

（1）在壓力為1 ～ 30 atm，溫度為298 ～ 2 500 K，當(dāng)量比為0.5 ～ 2.0 時(shí)，簡(jiǎn)化機(jī)理在點(diǎn)火延遲和層流火焰速度計(jì)算方面與詳細(xì)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，具有良好的性能。模型驗(yàn)證了簡(jiǎn)化機(jī)理的可靠性。

（2）在H2占比較小時(shí)（摩爾分?jǐn)?shù)小于0.2），詳細(xì)機(jī)理更符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在高H2摩爾分?jǐn)?shù)的區(qū)域，簡(jiǎn)化機(jī)理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度更好。這表明本研究中建立的氨-氫燃燒簡(jiǎn)化機(jī)理比Otomo 等［24］的詳細(xì)機(jī)理更適合高氫氣含量的工況。

（3）基元反應(yīng)R1、R3、R4、R13、R14、R15和R17（詳細(xì)反應(yīng)方程見(jiàn)附錄A，下同）的敏感性系數(shù)隨氨添加濃度的增加而降低；基元反應(yīng)R21 和R23 的敏感性系數(shù)隨氨添加濃度的增加而升高。在氨-氫混合燃料中，基元反應(yīng)R21 表明NH3分解形成H2，而H2的形成促進(jìn)了氨-氫混合氣體的進(jìn)一步燃燒。

（4）通過(guò)分別耦合簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的高壓氨-氫泄漏自燃CFD 模型，在爆破壓力為59.61 atm和69.77 atm 條件下，簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的平均激波速度變化趨勢(shì)一致，均十分接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但簡(jiǎn)化后的機(jī)理大大縮短了氨-氫CFD 燃燒模擬的計(jì)算需求，這表明在模擬方面，簡(jiǎn)化機(jī)理更加適合氨-氫混合氣燃燒。