基于直接关系图法的碳氢燃料复杂化学机理简化

采用直接关系图(DRG)法,针对碳氢类氧化反应详细机理,进行了不同指定精度水平的甲烷框架化学机理简化研究.通过DRG可以发现,机理中存在强烈耦合的组分组,在框架机理中,这些组分组或同时保持或集体去除.研究表明,给定阈值ε为0.01的框架机理仅包含182个反应、涉及27种组分,虽然给定阈值的精度并不高,但所得框架机理和原详细机理关于火焰结构的计算结果吻合很好.本研究发现,开始组分仅给定燃料物质是不够的,当开始组分仅给定燃料物质,则阈值ε需很小,形成的框架机理较大,否则计算误差不可接受,而开始组分给定燃料和氧化剂(或N2)物质,阈值ε可以取得较大,形成的框架机理尺度可以较小,而火焰模拟的精度仍很高.

基于直接关系图方法的丁酸甲酯燃烧反应机理的框架简化(英文)

由于直接关系图(DRG)方法的概念简单和计算量较小,使得DRG方法目前已经成为详细燃烧反应机理框架简化的主流方法。DRG方法中评价物种之间依赖关系的相互作用系数和关系图连接权重的计算方法控制着DRG方法的简化效果。采用四种不同形式的相互作用系数的定义方法,分别与标准的DRG搜索算法和基于误差传播的搜索算法结合,构建了丁酸甲酯的框架燃烧反应机理。通过系统的误差分析比较了不同简化方法构建的框架机理的模拟可靠性。重点采用基于元素流量分析的反应路径分析方法研究了框架机理的化学动力学。最后,通过交集的思想构建了一个只包含96个物种的丁酸甲酯框架燃烧反应机理,并且反应路径分析结果表明丙烯的燃烧化学动力学在丁酸甲酯燃烧过程中占有重要地位。本文通过对不同DRG方法的系统比较研究表明了反应路径分析在框架机理可靠性验证中的重要性,对进一步发展更为有效的框架简化方法提供重要依据。

正十二烷高温燃烧详细化学动力学机理的系统简化

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法,以典型航空燃料的替代组分正十二烷为研究对象,开展了正十二烷高温燃烧化学动力学机理的系统简化.首先采用多步直接关系图法(DRG)和基于计算奇异值摄动法(CSP)重要性指标的反应移除方法对由1279个组分,5056个基元反应组成的正十二烷燃烧详细机理进行框架简化,得到了包含59个组分,222个基元反应的框架机理;进一步采用CSP对框架机理进行时间尺度分析,选出了10个准稳态物种,采用准稳态近似方法(QSSA)构建了包含49个组分的全局简化机理.计算结果表明,在较宽的参数范围内,框架机理和全局简化机理均能够重现正十二烷详细机理在高温燃烧的点火延迟时间、熄火以及物种浓度分布等方面的模拟结果.

庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理的系统简化和分析

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法,对庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理进行了系统简化.首先采用两步直接关系图法(Directed relation graph method,DRG)和主成分分析(Principle componentanalysis,PCA)方法对由1087个物种、4592步可逆反应组成的庚酸甲酯燃烧的详细机理进行框架简化,得到了包含108个物种、547步基元反应的框架机理.在此框架机理基础上,进一步采用计算奇异值摄动法(Computational singular perturbation,CSP)对框架机理进行时间尺度分析,再选取30个准稳态物种,采用准稳态近似(Quasi steady state approximation,QSSA)方法构建了包含78个物种、74步总包反应的全局简化机理.模拟结果表明,在较宽的参数范围内,框架机理和全局简化机理均能重现庚酸甲酯高温燃烧时的点火延迟、物种浓度分布和熄火等燃烧特性.此外,基于框架机理阐明了庚酸甲酯高温燃烧的反应路径和对点火有重要影响的基元反应.与详细机理相比,框架机理保留了良好的精确性和全局性,可以很好地反映庚酸甲酯的燃烧特性,有助于对生物柴油的燃烧过程的理解.

C_1-C_2燃料燃烧机理的框架简化（英文）

采用六种直接关系图类(DRG)方法对包含253个物种和1542个反应的Aramco Mech 1.3机理进行简化,并通过对所得到的六种简化机理取交集,最终得到包含81个物种和497个反应的框架机理。所得81个物种框架机理的点火延迟时间最大误差与其简化方法得到的框架机理最大误差相比并没有显著增加;这表明从不同简化方法的框架机理结果取交集可以有效去除冗余物种。基于81个物种框架机理模拟的双组分混合燃料的点火延迟时间与详细机理机理结果吻合很好。同时该框架机理在不同反应器中的模拟结果验证了温度、物种浓度分布和火焰等燃烧特性。元素流动分析结果表明,81个物种框架机理精确地再现了详细机理的燃烧反应路径。保留了详细机理的所有重要反应路径和层级结构,能够很好地再现C_1-C_2燃料的各种燃烧特性。因此,基于该81个物种框架机理可作为核心机理用于发展大分子烃类或含氧燃料的燃烧机理。

一种用于燃烧模拟的动态自适应化学机制方法

介绍了一种动态自适应化学机制(dynamic adaptive chemistry,DAC)方法。采用直接关系图深度搜索算法,在燃烧过程的不同时刻点,根据当地的热化学状态对详细化学反应机制进行简化,得到即时的当地简化机制,并将该简化机制应用于下一时间步的计算。求解描述化学反应动力学的控制方程时,只对活跃组分进行求解,非活跃组分保持质量份额不变,且可作为基元反应的第三体。基于DAC方法,对包含558种组分、2539个基元反应的正庚烷详细机制定压绝热大空间自燃着火过程进行模拟,得到了精确的温度、主要组分质量份额变化曲线以及着火延迟时间等参数。与详细机制模拟结果进行了对比,模拟用时不足基于详细机制的1/15,证明了该方法的正确性与高效性。

尾气余热制氢汽油机的燃烧机理构建与简化

为了对尾气余热制氢汽油机的缸内燃烧进行仿真,发展了适合这一燃烧形式的反应机理.分析了重整气的组分,选用甲烷机理GRI 3.0和汽油替代燃料机理,构建了包含334种组分和1 672步反应的可用于汽油/重整气燃烧仿真的详细机理,并通过直接关系图法对构建的详细机理进行了简化,最后得到了包含40种组分和171步反应的简化机理.通过一维汽油机模型对该简化机理进行了验证,验证内容包括缸内平均压力、压力误差、缸内平均温度、温度误差、放热率、放热率误差以及OH的摩尔分数,验证了简化机理的有效性.

基于DRG及其衍生方法的燃烧反应机理简化策略

将详细化学反应机理引入内燃机燃烧数值模拟会带来巨大的计算量,为了简化机理的构建.基于DRG及其衍生方法提出一种简化策略,即针对一种简化方法,从小到大选取阈值,形成多步简化,并在一种简化方法不能进行冗余组分的减少时,交叉使用其他简化方法,在保持较高的精度下,可大幅度减少组分和基元反应.运用该策略将LLNL3.1由654组分简化至162组分;将GRI3.0由53组分简化至26组分,分别与各自的详细机理进行对比,结果表明简化机理的模拟结果和详细机理的模拟结果吻合,说明该简化策略能很好适用于规模差别很大的两种机理的简化.并将正庚烷的简化机理和CFD耦合计算与实验结果对比,进一步验证了该简化策略的适用性.