内燃机燃料燃烧详细化学反应动力学机理简化研究

发布时间：2017-08-25 23:34

  本文关键词：内燃机燃料燃烧详细化学反应动力学机理简化研究

  更多相关文章： 简化机理 积分CSP算法 I-CSP 内燃机燃料 着火延迟 快速压缩机

【摘要】：内燃机燃料的详细化学反应动力学机理包含的物质和基元反应数目过多,使得在一般的计算机上的多维数值模拟变得有难度。涉及到燃烧的数值模拟,其计算的速度一般跟物质数目具有二次方关系,因此减小详细机理中物质的数目对加快计算的速度具有明显的促进作用。传统的CSP(Computational Singular Perturbation)算法只能计算化学反应过程上的一个时间或者空间点,对于像自燃反应器或者一维预混合层流火焰面等在时间上或者空间上不均匀的反应器,传统的CSP算法会出现问题。考虑到一种物质如果反应物质的浓度太小或者反应的速度太快,该物质都将被视为准稳态物质;同时也考虑到放热率是表征反应的激烈程度的一个标志,本文基于传统的CSP算法,提出了积分CSP算法,该算法将物质的浓度,物质的净生成速率和反应过程的放热率作为积分权重因子,对时间上或者空间上的准稳态物质标示符(radical pointer)进行积分,得到了表征整个反应过程的总的准稳态物质标示符,并以此为标准,得到最终的准稳态物质,这些准稳态物质将不会出现在最终的简化机理中。同时,积分CSP算法在执行之前,需要提供准稳态物质的数目。本文提出了一种确定准稳态物质的方法:先采用积分CSP算法生成不同准稳态物质数目下的简化机理,然后再计算采用不同简化机理时的着火延迟,并结合用户自定义阈值来确定准稳态物质的数目。开发了一套基于积分CSP算法的名叫I-CSP的C++程序。该程序利用Chemkin生成的链接文件和计算结果,利用Chemkin提供的一些接口函数读取包括放热率、压力、各物质的浓度等信息,并计算物质的净生成速率。再根据积分CSP算法计算准稳态物质标示符(radical pointer)和快速反应标示符(fast reaction pointer),然后确定准稳态物质和相应的快速反应,最后生成简化机理。I-CSP源代码可以方便地予以修改和扩展,可以手动指定准稳态物质和快速反应,大部分计算采用矩阵计算的方式,书写比较直观方便。生成的简化机理与Chemkin耦合,可以方便的验证简化机理的有效性。采用积分CSP算法,对包含一个碳原子的燃料甲烷进行了简化,采用着火延迟自定义阈值为5%,得到23种物质18步反应的简化机理。然后在PSR、自燃反应器和一维预混合层流火焰面中,在不同的压力、温度、燃空比和质量流量下对简化机理进行了验证,证明了简化机理的有效性。同时,采用自定义阈值5%对简化机理进行“修剪”,去掉大量对反应系统影响较小的反应,得到进一步优化的简化机理。并与通过其它方式得到的简化机理作比较,结果显示,“修剪”能够在保证机理准确性的基础上较大幅度提高简化机理的计算效率。采用积分CSP算法,对包含两个碳原子的燃料二甲醚进行了简化,采用着火延迟自定义阈值为5%,得到26种物质20步反应的简化机理。然后在PSR、自燃反应器和一维预混合层流火焰面中,在不同的压力、温度、燃空比和质量流量下对简化机理进行了验证。同时在6114发动机上,利用AVL Fire软件进行了三维CFD计算,比较了采用简化机理和详细机理的计算结果,并与试验值作比较,结果证明了简化机理的有效性。采用积分CSP算法,对包含多个碳原子的燃料正丙醇和正庚烷进行了简化,采用着火延迟自定义阈值为5%,分别得到了123种物质117步反应和239种物质234步反应的简化机理。然后在PSR和自燃反应器中,在不同的压力、温度和燃空比下对简化机理进行了验证。同时,在快速压缩机中比较了压力、HC和CO的试验值和利用Chemkin得到的计算值,结果证明了简化机理的有效性。基于AVL公司的Fire软件,采用本文推导的二甲醚燃烧反应简化机理,针对二甲醚发动机数值模拟了缸内燃烧和排放的细节,并在发动机台架进行试验,证明模拟计算结果同台架试验实测结果基本吻合,验证了计算模型和简化机理的正确性;数值模拟了电控二甲醚发动机缸内过程,得到1570r/min不同负荷下的二甲醚浓度场,缸内温度场和CO浓度场;在WP6.210电控二甲醚发动机做燃烧试验,获取缸内压力、压力升高率、缸内温度、放热率、燃烧相位等燃烧参数和尾气污染物排放值,并做综合分析。
【关键词】：简化机理 积分CSP算法 I-CSP 内燃机燃料 着火延迟 快速压缩机
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-35
• 1.1 引言13
• 1.2 内燃机燃烧数值模拟现状13-15
• 1.3 内燃机燃料发展现状15-18
• 1.4 机理简化方法发展现状18-32
• 1.4.1 骨架机理的构建方法19-25
• 1.4.1.1 敏感性分析法19-20
• 1.4.1.2 反应路径流量分析法20-22
• 1.4.1.3 直接关系图法22-23
• 1.4.1.4 基于直接关系图法的改进方法23-25
• 1.4.2 基于时间尺度的简化机理的构建方法25-32
• 1.4.2.1 部分平衡假设以及准稳态假设法25-27
• 1.4.2.2 固有低维流形27-29
• 1.4.2.3 计算奇异扰动29-32
• 1.5 本文的研究内容和意义32-35
• 第二章 积分CSP算法的提出及实现35-47
• 2.1 积分CSP算法原理36-38
• 2.2 简化机理的构建38-40
• 2.3 准稳态物质数目的确定40-41
• 2.4 基于积分CSP算法的计算机程序I-CSP的实现41-45
• 2.4.1 程序的链接及初始化42-43
• 2.4.2 CHEMKIN-PRO计算结果的读取43
• 2.4.3 雅克比矩阵及其特征值特征向量的获取43-44
• 2.4.4 准稳态物质标示符的计算和快速反应的确定44
• 2.4.5 简化机理的构建以及简化机理反应速率的确定44-45
• 2.5 本章小节45-47
• 第三章 采用积分CSP算法的单碳物质机理简化研究47-65
• 3.1 甲烷准稳态物质数目及准稳态物质的确定47-48
• 3.2 简化机理的验证48-63
• 3.2.1 PSR中简化机理的验证48-52
• 3.2.2 自燃反应器中简化机理的验证52-58
• 3.2.3 一维预混合层流火焰面中简化机理的验证58-61
• 3.2.4 积分CSP算法导出的简化机理与其他简化机理的比较61-63
• 3.3 本章小结63-65
• 第四章 采用积分CSP算法的双碳物质机理简化研究65-81
• 4.1 二甲醚简化机理准稳态物质数目以及准稳态物质的确定65-66
• 4.2 二甲醚简化机理的验证66-76
• 4.2.1 PSR中二甲醚简化机理的验证66-69
• 4.2.2 自燃反应器中二甲醚简化机理的验证69-74
• 4.2.3 一维预混合层流火焰面中二甲醚简化机理的验证74-76
• 4.3 发动机中二甲醚简化机理的试验验证76-80
• 4.4 本章小结80-81
• 第五章 采用积分CSP算法的多碳物质机理简化研究81-107
• 5.1 采用积分CSP算法的正丙醇机理简化研究81-90
• 5.1.1 正丙醇简化机理准稳态物质数目以及准稳态物质的确定81-82
• 5.1.2 正丙醇简化机理的验证82-90
• 5.1.2.1 PSR中正丙醇简化机理的验证82-84
• 5.1.2.2 自燃反应器中正丙醇简化机理的验证84-90
• 5.2 采用积分CSP算法的正庚烷机理简化研究90-99
• 5.2.1 正庚烷简化机理准稳态物质数目以及准稳态物质的确定90-91
• 5.2.2 正庚烷简化机理的验证91-99
• 5.2.2.1 PSR中正庚烷简化机理的验证93-94
• 5.2.2.2 自燃反应器中正庚烷简化机理的验证94-99
• 5.3 快速压缩机上简化机理的验证99-105
• 5.4 本章小结105-107
• 第六章 电控二甲醚发动机燃烧的模拟和试验分析107-123
• 6.1 电控二甲醚发动机计算模型建立107-108
• 6.2 电控二甲醚发动机计算模型的验证108-109
• 6.3 电控二甲醚发动机的缸内过程分析109-119
• 6.3.1 二甲醚浓度场110-113
• 6.3.2 温度场113-116
• 6.3.3 CO浓度场116-119
• 6.4 电控二甲醚发动机燃烧试验119-122
• 6.4.1 试验装置及试验方法119-120
• 6.4.2 发动机燃烧参数分析120-121
• 6.4.3 发动机排放分析121-122
• 6.5 本章小结122-123
• 第七章 全文总结和工作展望123-126
• 7.1. 全文总结123-124
• 7.2. 工作展望124-126
• 创新点说明126-127
• 参考文献127-134
• 附录A C++使用Chemkin接口函数初始化代码134-137
• 附录B 18步甲烷简化机理137-138
• 附录C 正庚烷239种准稳态物质138-140
• 附录D 20步二甲醚简化机理140-141
• 附录E 117步正丙醇简化机理141-144
• 附录F 234步正庚烷简化机理144-149
• 符号与缩写149-153
• 攻读博士学位期间发表的论文153-155
• 致谢155-156

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本文编号：738565