燃料燃烧反应动力学机理高效简化方法研究

发布时间：2017-10-21 06:14

  本文关键词：燃料燃烧反应动力学机理高效简化方法研究

  更多相关文章： 化学机理简化 路径通量分析 多代关系系数 敏感性分析

【摘要】：随着计算机技术的不断发展,数值模拟作为对传统实验研究的补充甚至替代的研究方法,在燃烧研究领域扮演着越来越重要的角色。近年来,由于日益严峻的能源与环境问题,以及人们对认识详细燃烧过程的迫切需要,基于燃烧动力学机理的精细燃烧反应流数值计算受到了广泛关注并得到迅速发展,其在计算火焰传播速度、着火延迟时间、污染物生成等燃烧特征方面显示出了巨大的优势与潜力,为探索高效、清洁的燃烧方式以及寻求新型的替代燃料等提供了可靠的理论和数据支持。然而,若在燃烧反应流模拟中直接采用包含成百上千个组分和数千甚至上万种基元反应的详细反应机理,常常需要庞大的计算机资源和难以承受的计算时间。因此,对详细燃烧反应机理进行合理简化,已成为基于动力学机理的反应流数值计算的重要前提之一。精细的燃烧反应流模拟急需精确、高效的机理简化方法。本文在分析总结既有研究成果的基础上,提出了新型、高效的燃烧机理简化方法,并通过对典型燃料燃烧机理的简化及其在反应流模拟中的应用,测试了新方法的精确性和适用性。主要的工作内容及成果如下:(1)在路径通量分析机理简化方法PFA的基础上,充分考虑组分间的间接耦合关系,提出了多代路径通量分析简化方法MPFA。通过对甲烷、正庚烷、癸酸甲酯等典型燃料燃烧反应机理的简化及模拟结果的对比分析,证明了考虑多代间接相关性的MPFA方法相对于PFA方法的优势。同时,研究了在PFA系列方法中,所考虑的组分间关系代数与所得简化机理的精度、简化所需计算时间之间的关系。分析结果表明,三代PFA方法较二代PFA方法有较大优势,但考虑组分间更多代间接相关性不仅简化机理精度提高较少,且会导致简化过程的计算量急剧增大。(2)针对PFA与MPFA方法在定义组分间关系系数时物理意义模糊,导致组分生成通量份额与消耗通量份额计算不合理等问题,对关系系数的定义式进行了改进,并提出了改进型多代路径通量分析简化方法IMPFA。通过与PFA及MPFA方法的比较,证明了IMPFA方法能够更加合理地计算组分间的直接与间接耦合关系。在选择代数相同的情况下,IMPFA的简化效果明显优于MPFA方法。(3)考虑到以组分相关性为基础的MPFA方法难以直接反映各组分或基元反应对机理某具体特性参数的影响,从而导致简化机理可能包含过多冗余组分和基元反应的问题,提出了耦合MPFA与敏感性分析方法SA的新型机理简化方法MPFASA。MPFASA方法综合了MPFA的快速性与SA可直接考虑组分或基元反应对机理特征参数的影响等优点,有效地提高了机理简化的效率。通过对甲烷、正庚烷化学反应机理的简化,证明了通过MPFASA方法可获得在保证模拟精度的前提下,更为简化的燃烧动力学机理。
【关键词】：化学机理简化 路径通量分析 多代关系系数 敏感性分析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 符号表9-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 课题的研究背景与意义12-14
• 1.1.1 课题的研究背景12
• 1.1.2 课题的研究意义12-14
• 1.2 化学机理简化的国内外研究现状14-21
• 1.2.1 结果存储方法14
• 1.2.2 混合归纳法14-15
• 1.2.3 时间尺度分析法15-16
• 1.2.4 组分或反应消除法16-21
• 1.3 已有研究工作存在的问题21-22
• 1.4 本文研究的主要内容22-23
• 1.5 小结23-24
• 2 化学动力学与路径通量分析法24-36
• 2.1 化学动力学24-30
• 2.1.1 总包反应与基元反应24-25
• 2.1.2 基元反应的化学反应速率25-26
• 2.1.3 阿累尼乌斯定律26-27
• 2.1.4 非双分子基元反应的化学反应速率27-28
• 2.1.5 多步反应机理的反应速率计算28-30
• 2.2 路径通量分析方法30-35
• 2.2.1 路径通量分析方法算法介绍30-33
• 2.2.2 路径通量分析方法简化流程33-35
• 2.3 小结35-36
• 3 多代路径通量分析机理简化方法及应用36-64
• 3.1 多代路径通量分析的基本算法36-38
• 3.2 甲烷燃烧机理GRI-Mech 3.0 的简化结果分析38-52
• 3.2.1 MPFA方法与PFA2方法简化结果比较38-45
• 3.2.2 在特定工况下各代PFA方法比较45-52
• 3.3 正庚烷燃烧机理的简化结果分析52-57
• 3.4 癸酸甲酯燃烧机理简化57-62
• 3.4.1 癸酸甲酯及其机理介绍57
• 3.4.2 癸酸甲酯机理1的MPFA简化57-60
• 3.4.3 癸酸甲酯机理2的MPFA简化60-62
• 3.5 小结62-64
• 4 改进型多代路径通量分析法64-82
• 4.1 改进型多代路径通量分析方法基本算法64-66
• 4.2 改进型多代路径通量分析方法简化结果分析66-77
• 4.2.1 简化机理在均质自燃着火过程模拟中的应用67-74
• 4.2.2 良搅拌反应器模型下的简化结果74-77
• 4.3 路径通量分析方法的代数选择77-80
• 4.4 小结80-82
• 5 耦合路径通量与敏感性分析的机理简化82-114
• 5.1 算法简介82-85
• 5.1.1 多种机理简化方法联合研究现状82-83
• 5.1.2 敏感性分析方法基本算法83-84
• 5.1.3 耦合路径通量分析与敏感性分析方法简化流程84-85
• 5.2 MPFASA方法简化结果分析85-105
• 5.2.1 甲烷燃烧机理简化85-94
• 5.2.2 正庚烷燃烧机理简化94-105
• 5.3 基于分级敏感性分析的燃烧机理简化方法105-112
• 5.3.1 基本算法与简化流程105-106
• 5.3.2 实例分析106-112
• 5.4 小结112-114
• 6 结论与展望114-116
• 6.1 结论114-115
• 6.2 主要创新点115
• 6.3 展望115-116
• 致谢116-118
• 参考文献118-128
• 附录128-129
• A. 攻读博士学位期间发表及撰写论文情况128-129
• B. 攻读博士学位期间申请专利情况129
• C. 攻读博士学位期间参研的科研项目129
• D. 攻读博士期间学位获得荣誉与经历129

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本文编号：1071732