內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理簡(jiǎn)化研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)燃料的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理包含的物質(zhì)和基元反應(yīng)數(shù)目過(guò)多，使得在一般的計(jì)算機(jī)上的多維數(shù)值模擬變得有難度。涉及到燃燒的數(shù)值模擬，其計(jì)算的速度一般跟物質(zhì)數(shù)目具有二次方關(guān)系，因此減小詳細(xì)機(jī)理中物質(zhì)的數(shù)目對(duì)加快計(jì)算的速度具有明顯的促進(jìn)作用。
　　傳統(tǒng)的CSP（Computational Singular Perturbation）算法只能計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程上的一個(gè)時(shí)間或者空間點(diǎn)，對(duì)于像自燃反應(yīng)器或者一維預(yù)混合層流火焰面等在時(shí)間上或者空

2、間上不均勻的反應(yīng)器，傳統(tǒng)的CSP算法會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?？紤]到一種物質(zhì)如果反應(yīng)物質(zhì)的濃度太小或者反應(yīng)的速度太快，該物質(zhì)都將被視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)；同時(shí)也考慮到放熱率是表征反應(yīng)的激烈程度的一個(gè)標(biāo)志，本文基于傳統(tǒng)的CSP算法，提出了積分 CSP算法，該算法將物質(zhì)的濃度，物質(zhì)的凈生成速率和反應(yīng)過(guò)程的放熱率作為積分權(quán)重因子，對(duì)時(shí)間上或者空間上的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標(biāo)示符(radical pointer)進(jìn)行積分，得到了表征整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的總的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標(biāo)示符，并以此為標(biāo)

3、準(zhǔn)，得到最終的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，這些準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)將不會(huì)出現(xiàn)在最終的簡(jiǎn)化機(jī)理中。
　　同時(shí)，積分 CSP算法在執(zhí)行之前，需要提供準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的數(shù)目。本文提出了一種確定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的方法：先采用積分 CSP算法生成不同準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目下的簡(jiǎn)化機(jī)理，然后再計(jì)算采用不同簡(jiǎn)化機(jī)理時(shí)的著火延遲，并結(jié)合用戶自定義閾值來(lái)確定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的數(shù)目。
　　開發(fā)了一套基于積分 CSP算法的名叫 I-CSP的C++程序。該程序利用Chemkin生成的鏈接文件和計(jì)算結(jié)

4、果，利用Chemkin提供的一些接口函數(shù)讀取包括放熱率、壓力、各物質(zhì)的濃度等信息，并計(jì)算物質(zhì)的凈生成速率。再根據(jù)積分 CSP算法計(jì)算準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標(biāo)示符(radical pointer)和快速反應(yīng)標(biāo)示符(fast reaction pointer)，然后確定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)和相應(yīng)的快速反應(yīng)，最后生成簡(jiǎn)化機(jī)理。I-CSP源代碼可以方便地予以修改和擴(kuò)展，可以手動(dòng)指定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)和快速反應(yīng)，大部分計(jì)算采用矩陣計(jì)算的方式，書寫比較直觀方便。生成的簡(jiǎn)化機(jī)理與

5、Chemkin耦合，可以方便的驗(yàn)證簡(jiǎn)化機(jī)理的有效性。
　　采用積分 CSP算法，對(duì)包含一個(gè)碳原子的燃料甲烷進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用著火延遲自定義閾值為5％，得到23種物質(zhì)18步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。然后在PSR、自燃反應(yīng)器和一維預(yù)混合層流火焰面中，在不同的壓力、溫度、燃空比和質(zhì)量流量下對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了簡(jiǎn)化機(jī)理的有效性。同時(shí)，采用自定義閾值5%對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行“修剪”，去掉大量對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)影響較小的反應(yīng)，得到進(jìn)一步優(yōu)化的簡(jiǎn)化機(jī)理。并與通過(guò)

6、其它方式得到的簡(jiǎn)化機(jī)理作比較，結(jié)果顯示，“修剪”能夠在保證機(jī)理準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上較大幅度提高簡(jiǎn)化機(jī)理的計(jì)算效率。
　　采用積分 CSP算法，對(duì)包含兩個(gè)碳原子的燃料二甲醚進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用著火延遲自定義閾值為5%，得到26種物質(zhì)20步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。然后在PSR、自燃反應(yīng)器和一維預(yù)混合層流火焰面中，在不同的壓力、溫度、燃空比和質(zhì)量流量下對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)在6114發(fā)動(dòng)機(jī)上，利用AVL Fire軟件進(jìn)行了三維 CFD計(jì)算，比較了采用

7、簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)值作比較，結(jié)果證明了簡(jiǎn)化機(jī)理的有效性。
　　采用積分 CSP算法，對(duì)包含多個(gè)碳原子的燃料正丙醇和正庚烷進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用著火延遲自定義閾值為5%，分別得到了123種物質(zhì)117步反應(yīng)和239種物質(zhì)234步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。然后在PSR和自燃反應(yīng)器中，在不同的壓力、溫度和燃空比下對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，在快速壓縮機(jī)中比較了壓力、HC和CO的試驗(yàn)值和利用Chemkin得到的計(jì)算值，結(jié)果證明了簡(jiǎn)化機(jī)理

8、的有效性。
　　基于AVL公司的Fire軟件，采用本文推導(dǎo)的二甲醚燃燒反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理，針對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬了缸內(nèi)燃燒和排放的細(xì)節(jié)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，證明模擬計(jì)算結(jié)果同臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了計(jì)算模型和簡(jiǎn)化機(jī)理的正確性；數(shù)值模擬了電控二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)過(guò)程，得到1570r/min不同負(fù)荷下的二甲醚濃度場(chǎng)，缸內(nèi)溫度場(chǎng)和CO濃度場(chǎng)；在WP6.210電控二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)做燃燒試驗(yàn)，獲取缸內(nèi)壓力、壓力升高率、缸內(nèi)溫度、放熱率、燃燒