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1、生物柴油特有的物化性質(zhì)使其成為有潛力的柴油機(jī)替代燃料。為了清潔高效地利用生物柴油,有必要加深對(duì)其燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)的先進(jìn)模擬技術(shù)已成為人們理解缸內(nèi)燃燒過(guò)程的重要手段,這也將是今后生物柴油三維燃燒模擬的主流技術(shù)。因?yàn)樵敿?xì)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算成本還無(wú)法接受,所以建立計(jì)算效率高的、可靠的生物柴油簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理將是該技術(shù)得以工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。然而,一方面生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理在最近幾年才開(kāi)始發(fā)展起來(lái),還有待完善和發(fā)展。另
2、一方面,從詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)構(gòu)建生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理面臨兩個(gè)挑戰(zhàn),一是詳細(xì)機(jī)理的規(guī)模龐大,簡(jiǎn)化工作不易進(jìn)行,二是簡(jiǎn)化機(jī)理應(yīng)該隨詳細(xì)機(jī)理的更新而更新。所以,本文從CFD耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)的模擬技術(shù)的原理、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理縮減方法的發(fā)展、大型機(jī)理縮減平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、構(gòu)建簡(jiǎn)化機(jī)理的技術(shù)、生物柴油簡(jiǎn)化替代機(jī)理的構(gòu)建及其在低溫燃燒三維模擬分析中的應(yīng)用方面展開(kāi)研究。本文的主要工作和成果有:
?。?)本文首先將廣泛應(yīng)用的開(kāi)源程序KIVA-3V Releas
3、e2和CHEMKIN-Ⅲ耦合起來(lái),建立KIVA-CHEMKIN模擬平臺(tái),經(jīng)驗(yàn)證該平臺(tái)正確有效,并被應(yīng)用于柴油和生物柴油的缸內(nèi)燃燒過(guò)程的模擬分析。本文還介紹了目前較為先進(jìn)的商業(yè)軟件平臺(tái)CONVERGE的特點(diǎn),對(duì)比了該軟件與KIVA-CHEMKIN的模擬流程?;谶@兩個(gè)平臺(tái),詳細(xì)介紹了內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒三維模擬的原理、化學(xué)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算原理及CFD耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)的模擬方法,為機(jī)理縮減程序的開(kāi)發(fā)及生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。
?。?)
4、本文提出了組分成團(tuán)消除法來(lái)移除反應(yīng)機(jī)理的次要組分?;诮M分對(duì)著火延遲時(shí)間的強(qiáng)力敏感性系數(shù)有正有負(fù)的特點(diǎn),組分成團(tuán)消除法選擇一批組分同時(shí)消除,利用正負(fù)敏感性系數(shù)的抵消作用來(lái)控制誤差。通過(guò)合理地設(shè)置組分團(tuán)的選擇范圍,該方法既能高效地篩選出次要組分,又能有效地控制簡(jiǎn)化機(jī)理的誤差。組分成團(tuán)消除法與其它組分消除方法相比有以下優(yōu)點(diǎn):第一、計(jì)算時(shí)間消耗少,因?yàn)椴挥脤?duì)次要組分逐個(gè)消除并校核誤差;第二、始終以詳細(xì)機(jī)理為參照,避免了簡(jiǎn)化過(guò)程過(guò)早結(jié)束的問(wèn)題。
5、
?。?)利用FORTRAN語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)了詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理縮減程序MRC(Mechanism Reduction Code)。MRC包括兩個(gè)模塊:一是基于考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(DRGEP)的模塊,二是基于強(qiáng)力敏感性分析和組分成團(tuán)消除法的模塊。經(jīng)過(guò)異辛烷詳細(xì)機(jī)理的縮減驗(yàn)證,MRC正確有效地實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)機(jī)理縮減,可用于其它碳?xì)淙剂显敿?xì)機(jī)理的縮減研究。異辛烷機(jī)理的簡(jiǎn)化計(jì)算還發(fā)現(xiàn),對(duì)于具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)特征的碳?xì)淙剂?,其反?yīng)路
6、徑和組分的耦合聯(lián)系在NTC區(qū)域最復(fù)雜;在 NTC區(qū)域工況點(diǎn)迭代使用DRGEP獲得的縮減機(jī)理性能較全面,可作為該縮減階段最終機(jī)理的基礎(chǔ);之后,可選擇少數(shù)代表性工況,如NTC工況點(diǎn)、高溫工況點(diǎn)和低溫工況點(diǎn),迭代執(zhí)行組分成團(tuán)消除構(gòu)建精度較高的簡(jiǎn)化機(jī)理。
?。?)以正庚烷(NHP)和癸酸甲酯(MD)為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個(gè)新的生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理?;?MRC程序及異辛烷機(jī)理縮減的經(jīng)驗(yàn)技術(shù),以著火延遲時(shí)間為主要控制參數(shù),將美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)
7、室(LLNL)的一個(gè)包含654個(gè)組分和2827個(gè)反應(yīng)的NHP詳細(xì)機(jī)理簡(jiǎn)化為由60個(gè)組分和216個(gè)反應(yīng)組成的簡(jiǎn)化機(jī)理,同時(shí)將LLNL的一個(gè)包含2878個(gè)組分和8555個(gè)反應(yīng)的 MD詳細(xì)機(jī)理簡(jiǎn)化為由87個(gè)組分和219個(gè)反應(yīng)構(gòu)成的簡(jiǎn)化機(jī)理。合并這兩個(gè)簡(jiǎn)化機(jī)理得到了一個(gè)包含111個(gè)組分和310個(gè)反應(yīng)的機(jī)理,稱(chēng)為Bio111機(jī)理。經(jīng)大范圍的激波管試驗(yàn)、射流攪拌反應(yīng)器試驗(yàn)和柴油機(jī)常規(guī)燃燒試驗(yàn)的驗(yàn)證,Bio111機(jī)理顯示了對(duì)NHP、MD及生物柴油燃燒
8、的良好預(yù)測(cè)能力。
?。?)應(yīng)用Bio111機(jī)理對(duì)大豆生物柴油兩次噴射的低溫燃燒過(guò)程進(jìn)行三維模擬分析,模型對(duì)低溫燃燒放熱特征的預(yù)測(cè)效果良好。其中,燃油早噴的預(yù)混壓縮著火低溫燃燒呈現(xiàn)低溫冷焰現(xiàn)象,Bio111機(jī)理能夠良好地預(yù)測(cè)這一放熱特征。由化學(xué)反應(yīng)分析可知,缸內(nèi)處于發(fā)生NTC現(xiàn)象的條件,缸內(nèi)同時(shí)發(fā)生低溫鏈分支反應(yīng)、鏈傳播反應(yīng)、正庚烷基和癸酸甲酯基的裂解反應(yīng),這是出現(xiàn)低溫冷焰放熱的原因。構(gòu)建的Bio111機(jī)理為將來(lái)采用先進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)
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