AP/HTPB复合推进剂燃烧的详细化学动力学建模(英文)

采用详细化学动力学机理,为AP/HTPB复合推进剂的燃烧建立了模型。该模型包含2个步骤:前一个是数据准备阶段,后一个是求解阶段。模型中包含了完整的固相、凝相和气相三相反应机理,其中气相反应机理由37个组分和127个反应步组成。为了提高模型的求解效率,用于评估化学反应的先进算法ISAT也被应用。最终,通过与试验结果的比较可看到,所建模型是可靠和精确的,并优于以往模型。

耦合CFD和详细化学动力学的燃烧模拟及其并行计算的实现

以KIVA3V和CHEMKINⅡ为研究平台,建立耦合详细化学反应动力学的多维CFD模型.为了解决耦合多维模型求解时间长的问题,对耦合程序进行了二次开发,使其能在基于MPI的超级计算机和高速网络连接的PC集群等多种并行计算平台上运行.在二次开发中,提出了一种具有间歇特征的并行计算方案.在超级计算机——深腾6800上,使用耦合程序模拟了天然气SI发动机的燃烧过程.计算表明,模拟结果与试验数据有着较好的一致性;模拟计算具有较高的并行效率.

基于详细化学动力学正丁醇定容燃烧过程的损失

利用详细化学动力学在绝热均质定容条件下对正丁醇燃烧过程进行了数值模拟,并通过非平衡态热力学熵平衡方程计算了燃烧过程的损失.结果表明:损失率曲线主要有两个峰值,第1个峰值由正丁醇转变为小分子燃料的反应(阶段1)和H_2O_2,loop及支撑反应(阶段2)构成;第2个峰值由CO、H氧化为最终产物反应(阶段3)构成.提高燃烧初始温度或当量比,反应温度上升,阶段1中高温反应路径取代低温反应路径,使损失降低,阶段2和阶段3中主要反应损失持续时间缩短,使损失降低;然而燃烧温度过高致使离解反应发生,导致不完全燃烧.增加燃烧初始压力或降低氧体积分数都可抑制离解反应,减少不完全燃烧.若使用进气加热、增压、稀燃、提高压缩比和废气再循环等发动机技术,可改变燃烧初始条件,使总损失从30.7%,减少至18.7%,.

耦合CFD和详细化学动力学的CNG发动机工作过程多维数值模拟

通过结合计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件KIVA3V和化学动力学软件CHEMKINII,实现了耦合CFD和详细化学动力学的发动机工作过程多维数值模拟。在此基础上,对KIVA3V/CHEMKINII源程序进行了并行功能的开发,使其能在基于LINUX操作系统的大型并行计算机上运行。为了更为精确地模拟缸内的燃烧过程和监测中间组分的反应历程,耦合计算同时考虑了流动、传热及化学反应的影响,并引入了一种平衡湍流及化学动力学效应的燃烧模型。模型以天然气发动机WT615为研究对象,并对模拟结果和试验数据进行了对比。结果表明,模拟结果与试验数据有良好的一致性,模拟提供了中间组分的缸内分布信息,计算具有较高的并行效率和加速比特性。

基于详细化学动力学的AP气相数值模拟

在二维柱坐标下,基于详细化学动力学,利用涡速方程和有限差分方法,对AP气相燃烧进行了数值模拟。数值模拟采用了29个组分和79个有限化学反应方程,较真实地体现了AP气相燃烧的实际过程。求解得到的温度场、各组分浓度场等与已有试验结果十分吻合,证实该模型可靠、精确。

基于详细化学动力学的AP燃烧模型的建立与分析

利用涡速方程和一些必要的数学方法,首先建立了基于详细化学动力学的AP燃烧模型。接着在不同的入口边界条件和反应机理下,应用该模型对AP燃烧进行了数值模拟并与试验数据进行了比较。结果表明求解得到的温度场,各组分浓度场等与已有试验结果十分吻合,证实该模型可靠、精确。最后在精度方面,通过对采用不同参数模型之间的进一步比较和分析,可以看到AP燃烧的固相和凝聚相反应机理有待进一步的发展。

基于详细化学反应动力学的RCCI燃烧过程建模及影响因素分析

活性控制的压缩着火(RCCI)燃烧方式利用燃料反应活性的差异,实现可控、有组织的低温燃烧。燃烧受燃料活性分层控制,燃烧过程的计算有赖于详细的化学反应机理。利用开源CHEMKIN子程序库,本文构建了适合RCCI燃烧的准维多区模型,通过与试验的对比,证明了该模型的合理性和可靠性。在此基础上计算了不同汽/柴油比例和喷油时刻对燃烧过程的影响,并分析了排放结果。

耦合详细反应动力学机理的碳氢燃料预混火焰结构数值预测

理论研究碳氢燃料、空气预混气流动燃烧过程数值计算方法 以碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例 ,采用其最新研究的化学反应动力学机理 (包含 32 7个基元反应 ,涉及 71种组分 ) ,使用美国SANDIA国家实验室开发的CHEMKIN系列软件、PREMIX程序和LAWRENCE国家实验室开发的解刚性反应系统算法器 ,模拟了不同工况下预混火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系 。

详细化学反应动力学动态自适应加速

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。

耦合天然气详细反应机理的三维湍流预混火焰结构数值预测

以具有279机理的天然气燃烧为例,分别采用涡耗散概念EDC湍流燃烧模型、修正的涡旋破碎EBU湍流燃烧模型以及基于时均值的Arrhenius关系,对燃烧室内复杂的湍流反应流进行了三维数值模拟,并对预测结果进行了分析.结果表明,EDC模型可以较好地反映湍流化学作用,并且能够较好地描述各基元反应,从而为工程实际复杂燃烧情况下其有害排放、中间物质、自由基和痕迹物质生成机理的研究提供基础.

抬举湍流H_2/N_2射流火焰的PDF模拟(英文)

采用数值方法研究了一个高温燃烧产物环境中的抬举湍流H2/N2射流火焰,对火焰的自然和抬举特性进行了研究.采用标量联合概率密度函数(PDF)方法处理详细的化学动力学过程,而湍流流场采用一个多时间尺度(MTS)k-ε湍流模型计算.计算中结合了一套描述氢气氧化的详细化学反应动力学机理.计算结果和实验数据进行了对比,表明所采用的模型可以精确的模拟火焰抬举高度和自然的过程.

基于Additive Runge-Kutta方法的激波聚焦起爆高精度数值模拟

基于详细氢氧化学动力学模型,建立了描述氢氧爆轰的多组分反应欧拉方程组.针对建立的反应欧拉方程组,数值方法上采用3阶Additive Runge-Kutta方法对时间项进行积分,采用5阶精度的加权本质无振荡(WENO)格式对空间对流项进行离散,自主研发了大规模高精度计算程序.该程序能够处理化学反应源项引起的刚性问题,且能节省计算时间和计算内存.对半球型、半椭球型、圆锥型3种结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟,数值模拟研究得到了不同结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程.

CSTR系统中甲烷燃烧过程的分岔特性分析

运用分岔理论对连续流动均匀搅拌反应器(CSTR)中甲烷燃烧过程的分岔特性进行了详细分析,采用了甲烷的详细化学反应机理.分别以系统温度、滞留时间为分岔参数,详细讨论了CSTR系统的各种工况(系统压力、混合气过量空气系数、系统温度及滞留时间)对甲烷燃烧过程分岔特性的影响.结果表明,在甲烷的整个燃烧过程中,出现了双着火点,即部分着火点和完全着火点;同时,出现了3个阶段,即部分着火阶段、完全着火阶段和熄火阶段.当以系统温度为分岔参数时,随着系统压力的升高、滞留时间的延长、过量空气系数的增加,甲烷的完全着火温度也随之降低.当以滞留时间为分岔参数时,随着系统温度、系统压力的升高,甲烷发生完全着火所需要的滞留时间随之缩短;过量空气系数对甲烷发生着火所需要的滞留时间影响较小.

二甲基醚发动机HCCI燃烧与排放的计算

构建了可应用于均质充量压燃(HCCI)发动机的二甲基醚(DME)详细化学反应动力学M燃烧模型,该模型包含97种物种和457个基元反应.拓展M模型的应用范围,分析了DME发动机HCCI条件下关键基元反应和重要物种随曲轴转角的变化关系,获得了DME氧化反应的主要历程.研究了NOx的生成机理,结果表明NOx排放中NO生成量达到最大值后出现“冻结”现象,NO2与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大.随着缸内温度的增加,NOx排放中NO所占比例逐渐增加.基于化学反应速率及敏感度分析,得到了DME发动机HCCI燃烧的NO排放主要受扩大Zeldovich机理和N2O途径控制.