基于遗传算法的气体爆炸化学反应简化模型及其应用

针对火焰加速和爆燃转爆轰数值模拟中由于总包反应机理的化学反应刚性导致的时间步长小、计算效率低等问题,提出了一种通用的气体燃料爆炸化学反应模型简化方法.建立了基于遗传算法的简化反应模型Arrhenius参数寻优设计方法,使简化反应能够得出与详细反应机理量值相近的火焰特征参数,最大误差不超过5%;在此基础上,将构建的简化反应模型与多组分反应流体Navier-Stokes方程进行耦合,采用大涡模拟方法实现气体燃料爆炸化学反应过程的高效精确模拟.以开敞空间的氢气爆炸过程模拟对提出方法进行验证,仿真及实验对比结果表明,提出的方法能够以较高的效率和精度对实际物理过程进行近似,弥补详细反应机理仿真效率过低的不足,对各类气体爆炸化学反应过程具有较好的适应性.

适用于工程仿真的大涡模拟与化学反应模型

针对大尺度气体爆炸工程问题数值模拟的需求,基于层流火焰厚度与初始压力的关系,改进了传统的增厚火焰模型,使增厚因子能够根据当地压力自动调整大小.同时,基于开源程序Canter和遗传算法,提出了能够准确计算层流火焰速度、火焰面厚度及其随压力变化的多组分单步化学反应模型.集成发展的大涡模拟、化学反应模型与多组分反应流有限差分计算程序,开展了封闭管道氢气空气爆炸数值模拟.通过与试验对比,研究了大涡模拟模型、网格大小、化学反应模型对计算结果与效率的影响.结果表明:相比于详细反应模型,新单步氢气空气简化反应模型节省了60%的计算时间,极大提高了气体爆炸三维数值模拟的计算效率.

甲烷点火燃烧的简化化学反应动力学模型

从甲烷点火燃烧的GR I-M ech 1.2详细化学反应动力学模型出发,采用“准稳态”假设方法来对其进行简化,得到了包含18组分14步总包反应的简化反应模型。通过典型试验结果对比和基于均匀试验设计的校核计算结果比较可以看出,采用“准稳态”假设方法得到的简化反应动力学模型能有效地再现详细基元反应模型的反应机理,具有较高精度,是可靠而有效的。

碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于“准稳态”方法建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK．并以3种典型的碳氢燃料——甲烷、乙烯和庚烷为研究对象,从甲烷点火燃烧的GR12．11详细基元反应动力学模型出发简化得出了包含14个组分10步总包反应形式的简化化学反应动力学模型,从乙烯燃烧的51组分365详细基元反应模型出发简化得出了包含20个组分16步总包反应形式的简化化学反应动力学模型,从庚烷点火燃烧的160组分1540详细基元反应模型出发简化得出了包含26个组分22步总包反应形式的简化化学反应动力学模型．通过对典型激波管试验的结果对比可以看出:得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现详细基元反应模型的反应机理,具有较高的计算精度．在工程计算中有较好的应用前景．

用准稳态方法建立碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于“准稳态”方法建立了一套碳氢燃料点火燃烧的化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK,并从甲烷点火燃烧的GRI2.11详细基元反应动力学模型出发简化得出了包含16个组分12步总包反应形式的简化化学反应动力学模型,从庚烷点火燃烧的详细基元反应动力学模型出发简化得出了包含25个组分21步总包反应形式的简化化学反应动力学模型。通过其计算结果与CARM软件导出简化模型的计算结果和典型激波管试验结果的对比可以看出,本文简化得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现详细基元反应模型的反应机理,简化模型的计算精度与CARM软件导出简化模型的计算精度相当。与详细基元反应动力学模型相比,简化模型有效地减少了反应组分,在工程计算中有比较好的应用前景。

反应动力学机理简化的研究现状及进展

综述了国内外几种主要的反应机理简化方法的研究现状 ,介绍了基于自适应化学理论的最优简化法 .最优简化法根据反应系统中的局部条件 ,自动选择与其相适应的简化反应机理模型 .通过最优简化法以及应用详细化学反应机理对 CH4/空气火焰的数值计算的比较 ,表明前者可实现在不影响计算精度的前提下 ,缩短计算耗时 。

基于FLUENT软件的有限速率模型对选择性非催化还原工艺的模拟

介绍了利用FLUNET软件中有限速率模型对氨作还原剂的选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)脱硝的模拟方法,对模拟结果进行了分析。引入简化后的SNCR工艺化学反应机理并对所采用机理进行了Chemkin软件的模拟修正,使模拟结果与实验结果拟合良好。通过对试验的不同工况的FLUENT模拟及分析可知,修正后的简化模型可以正确反映温度、氨氮比及泄漏氨对工艺效果的影响。由于简化模型的引入,避免了SNCR工艺FLUENT模拟中大量基元反应造成的计算量过大的问题,这使得对大型锅炉的SNCR工艺的NOx脱除模拟变得可行。

基于遗传算法的化学反应动力学模型简化法

从化学的详细基元反应出发,通过分析化学反应过程和灵敏度,识别反应过程中的"主干"反应,建立起具有基元反应形式的简化反应动力学模型,再采用遗传算法来优化调整基元反应阿累尼乌斯(Arrehnius)公式中的系数,使简化模型的计算精度尽可能与详细基元反应模型相当,从而建立一种简化化学反应动力学模型的新方法。通过分析典型甲烷点火燃烧算例的初步计算表明,该方法的应用前景较好。

用计算奇异值摄动方法简化复杂化学反应动力学模型

介绍了用于简化化学反应动力模型的计算奇异值摄动方法(CSP),给出了其基本思想与具体计算方法,然后用该方法来对一氧化碳／氢气在空气中燃烧的化学反应、激波管中甲烷的点火燃烧反应实例进行了简化。从计算结果看,CSP方法是一种比较有效的化学反应模型简化方法,用该方法简化得出的简化模型不仅减少了微分求解的组分数目,而且保持了较高的计算精度,能有效提高计算效率,具有较强的工程实际价值。