基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理

使用基于特征值分析的骨架简化方法对由118个组分和527个反应构成的正癸烷详细机理进行了简化,获得了一个由70个组分、327个基元反应组成的骨架机理;采用基于特征值分析的计算奇异摄动(CSP)简化方法对骨架机理进行进一步简化,得到一个38组分、34步的总包简化机理.通过对简化机理、骨架机理和详细机理的对比发现,简化机理和骨架机理能够很好地再现详细机理的特性,并能够描述正癸烷的主要燃烧特性,为进一步实现耦合化学反应动力学与流体力学的工程计算,提高计算效率提供了可用的燃烧模型.     

高碳烃宽温度范围燃烧机理构建及动力学模拟

发动机中燃料点火特性以及燃烧能量的释放对于发动机设计具有非常重要的作用,为了提高燃料的燃烧效率以及减少燃料在燃烧过程中污染物的排放,基于反应动力学机理对燃料燃烧过程的模拟就显得十分必要。因此需要更加深入的认识碳氢燃料的燃烧机理,探索其在燃烧过程中十分复杂的化学反应网络。为了发展能够适用于实际燃料多工况条件(宽温度范围、宽压力范围和不同当量比)燃烧的燃烧机理,基于碳氢燃料机理自动生成程序ReaxGen构建了正癸烷燃烧详细机理(包含1499个物种,5713步反应)和正十一烷燃烧详细机理(包含1843个物种,6993步反应)。详细机理主要由小分子核心机理和高碳烃类(C5以上)机理两部分组成。为了验证机理的合理性与可靠性,本文对于高碳烃燃烧新机理在点火延时时间以及物种浓度曲线进行了动力学分析,并与实验数据及国内外同类机理进行了对比,结果表明本文提出的正癸烷和正十一烷燃烧新机理在比较宽泛的温度、压力和当量比条件下都具有较高的模拟精度,为发展精确航空煤油燃烧模型提供了基础数据。同时考虑到详细机理的复杂性以及机理分析的计算量大和时耗长,本文基于误差传播的直接关系图形(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP)方法简化得到的包含709组分2793反应的正癸烷和包含820组分3115反应的正十一烷简化机理,使用DRGEP方法时所采用的数据点选自压力范围从1.0×10~5 Pa到1.0×10~6Pa,当量比范围从0.5到2.0,初始温度范围从600到1400时恒压点火的模拟结果在点火延迟时间附近区域的抽样,同时在正癸烷机理简化中选取正癸烷、O_2和N_2作为初始预选组分,正十一烷的机理简化中主要选取正十一烷、O_2和N_2作为初始预选组分,得到的简化机理在比较宽泛的条件下的预测结果与详细机理吻合很好。最后结合敏感度分析方法分析了正癸烷和正十一烷的点火延迟敏感性,考察了机理中影响点火的关键反应。结果表明:这些机理能够合理描述正癸烷和正十一烷的自点火特性,在工程计算流体力学仿真设计中有很好的应用前景。     

采用系统的方法自动构建链烷烃高温燃烧反应机理

为了得到合理可靠和简化的反应机理,利用反应机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷、异辛烷、正癸烷和正十二烷的高温燃烧反应详细机理;同时分别采用物质产率分析和反应路径流量分析的方法对详细机理进行简化,得到了半详细机理和骨架机理. 在较宽的温度和压力条件下,对半详细机理和骨架机理进行了点火延时、层流火焰传播速度和重要物种浓度曲线的模拟并与实验结果比较;最后,图示说明了这些烷烃的主要高温燃烧路径,给出了点火延迟时间的敏感度分析. 结果表明：这些机理能够合理描述链烷烃的自点火特性,文中提出的结合ReaxGen程序的机理构建方法和反应路径流量分析的简化方法也可以用于其它烃类的高温燃烧机理构建.     

正十二烷高温燃烧详细化学动力学机理的系统简化

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 以典型航空燃料的替代组分正十二烷为研究对象, 开展了正十二烷高温燃烧化学动力学机理的系统简化. 首先采用多步直接关系图法(DRG)和基于计算奇异值摄动法(CSP)重要性指标的反应移除方法对由1279个组分, 5056个基元反应组成的正十二烷燃烧详细机理进行框架简化, 得到了包含59 个组分, 222 个基元反应的框架机理; 进一步采用CSP对框架机理进行时间尺度分析, 选出了10个准稳态物种, 采用准稳态近似方法(QSSA)构建了包含49个组分的全局简化机理. 计算结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能够重现正十二烷详细机理在高温燃烧的点火延迟时间、熄火以及物种浓度分布等方面的模拟结果.     

基于特征值分析的骨架机理获取方法

基于特征值分析法,建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法,并采用该方法对甲烷空气燃烧的详细化学反应动力学模型进行了简化.从GRI1.2得到了21个组分,83个反应的骨架机理.该机理与详细的GRI1.2机理和DRM19机理在不同化学计量比和不同压力下对比了点火延迟时间,结果表明简化机理能有效地再现详细反应动力学模型的反应机理,并具有更高的计算精度.从GRI3.0简化得到两种骨架机理分别为26个组分、120个反应和30个组分、140个反应.这两个机理都能很好地对火焰传播速度以及主要组分和NO浓度分布进行反应动力学模拟.     

正十二烷高温燃烧机理的构建及模拟

基于燃料燃烧反应机理的计算机自动生成方法,构建了正十二烷高温燃烧的详细反应机理; 分别采用物质产率分析和反应路径流量分析方法对详细机理进行简化,得到包含202个物种、738步反应的半详细机理和53个物种、228步反应的骨架机理; 对正十二烷点火延时、高温裂解以及层流火焰速度的模拟结果表明半详细机理和骨架机理具有很高的模拟精度,在工程计算流体力学仿真设计中有很好的应用前景.最后分析了正十二烷高温燃烧的反应路径,并对点火延时做了敏感度分析,考查了机理中的关键反应.     

采用系统的方法自动构建链烷烃高温燃烧反应机理（英文）

为了得到合理可靠和简化的反应机理,利用反应机理自动生成程序ReaxGen,构建了正庚烷、异辛烷、正癸烷和正十二烷的高温燃烧反应详细机理;同时分别采用物质产率分析和反应路径流量分析的方法对详细机理进行简化,得到了半详细机理和骨架机理.在较宽的温度和压力条件下,对半详细机理和骨架机理进行了点火延时、层流火焰传播速度和重要物种浓度曲线的模拟并与实验结果比较;最后,图示说明了这些烷烃的主要高温燃烧路径,给出了点火延迟时间的敏感度分析.结果表明:这些机理能够合理描述链烷烃的自点火特性,文中提出的结合ReaxGen程序的机理构建方法和反应路径流量分析的简化方法也可以用于其它烃类的高温燃烧机理构建.     

正癸烷着火及燃烧的化学动力学模型

构建了一个包含46组分和167反应的描述正癸烷着火与燃烧过程的化学反应动力学机理模型, 该机理是在通过路径分析和灵敏度分析对Peters 机理(118组分和527反应)进行较大程度简化的基础上, 对低温着火和火焰传播速度影响较大的部分基元反应进行修正和改进后得到的. 与文献给出的实验结果对比表明, 该机理不仅比现有的机理具有较少的组分数和基元反应数, 而且能够更准确地预测正癸烷低温和高温条件下的着火延迟时间和火焰传播速度. 该机理为进一步实现总包简化机理与计算流体力学(CFD)的耦合计算奠定了基础.     

正癸烷热解的小规模化学动力学机理模型

正癸烷是目前常用的吸热型燃料的替代组分, 但是其热解机理的研究迄今还很少, 且现有的少数几个机理由于规模庞大使用不便. 本文首先构建了一个包含33种组分和75个基元反应的正癸烷热解动力学机理模型(Mech33); 随后, 在该机理的基础上进一步通过灵敏度分析得到影响主要热裂解组分生成的速率控制步, 并采用局部平衡和稳态假设对Mech33机理简化得到了规模更小的、仅包含22种组分和59步反应动力学机理模型(Mech22). 在较宽的温度和压力范围内对流动反应器及激波管中正癸烷热解过程进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比, 结果表明, Mech33和Mech22两个动力学机理模型都能够很好地描述正癸烷热裂解过程,并准确预测主要热裂解产物的浓度分布, 为进一步实现化学反应与计算流体力学(CFD)耦合的工程计算提供了有价值的动力学机理模型.     

庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理的系统简化和分析

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 对庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理进行了系统简化. 首先采用两步直接关系图法(Directed relation graph method, DRG)和主成分分析(Principle component analysis, PCA)方法对由1087个物种、4592步可逆反应组成的庚酸甲酯燃烧的详细机理进行框架简化, 得到了包含108个物种, 547步基元反应的框架机理. 在此框架机理基础上, 进一步采用计算奇异值摄动法(Computational singular perturbation, CSP)对框架机理进行时间尺度分析, 再选取30个准稳态物种, 采用准稳态近似(Quasi steady state approximation, QSSA)方法构建了包含78个物种、74步总包反应的全局简化机理. 模拟结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能重现庚酸甲酯高温燃烧时的点火延迟、物种浓度分布和熄火等燃烧特性. 此外, 基于框架机理阐明了庚酸甲酯高温燃烧的反应路径和对点火有重要影响的基元反应. 与详细机理相比, 框架机理保留了良好的精确性和全局性, 可以很好地反映庚酸甲酯的燃烧特性, 有助于对生物柴油的燃烧过程的理解.     

Skeletal and reduced chemical mechanism for hydrogen fluoride chemical laser

The chemical kinetics of supersonic hydrogen fluoride (HF) chemical lasers determines combustion characteristics and output power. However, the inherent complexity of chemical reactions and complex structure still challenge the numerical simulations involving a comprehensive chemical mechanism. Therefore, a high fidelity and low computational consuming model is important for design purpose. This paper presents a strategy to generate a reduced mechanism for HF chemical lasers. Based on a detailed HF chemical mechanism consisting of 16 species and 153 elementary reactions, a specific skeletal mechanism including 11 species and 58 elementary reactions is generated. Finally, we obtain a further reduction mechanism including 11 species and 39 elementary reactions by combining sensitivity analysis and rate of production analysis. The computational cost for simulation of supersonic HF chemical lasers with the reduced mechanism is less than that with the detailed model. The principal contribution of the work is to provide a low computational consuming model.     

Mechanism Construction and Simulation for High-temperature Combustion of n-Propylcyclohexane

A detailed mechanism covering 545 species and 3105 reactions for high-temperature combustion of n-propylcyclohexane（n-PCH）, generated via a mechanism generation program（ReaxGen） developed by our research group, was validated in this study. A semi-detailed mechanism involved with 195 species and 573 reactions and a skeletal mechanism concerned with 108 species and 393 reactions were obtained by means of rate-of-production analysis and path flux analysis（PFA）, respectively. In order to validate the reliability of these mechanisms, ignition delay time, laminar flame speed and concentration profiles of important species were simulated with the help of CHEMKIN software. Numerically predicted results of our mechanisms are in very good agreement with available experimental data. Finally, major reaction pathways of n-PCH combustion and important reactions during the combustion process were investigated by reaction pathway analysis and sensitivity analysis, respectively. The results indicate that these mechanisms are reliable for describing the auto-ignition characteristics of n-PCH. These mechanisms would also be helpful to computational fluid dynamics（CFD） for engine design. Moreover, this systematic approach used in our study, which combines mechanism construction, simplification, validation and analysis for n-PCH, may also be employed to construct mechanisms for the high-temperature combustion of other cycloalkanes with one ring.     

基于直接关系图法的碳氢燃料复杂化学机理简化

采用直接关系图(DRG)法, 针对碳氢类氧化反应详细机理, 进行了不同指定精度水平的甲烷框架化学机理简化研究. 通过DRG可以发现, 机理中存在强烈耦合的组分组, 在框架机理中, 这些组分组或同时保持或集体去除. 研究表明, 给定阈值着为0.01的框架机理仅包含182个反应、涉及27种组分, 虽然给定阈值的精度并不高, 但所得框架机理和原详细机理关于火焰结构的计算结果吻合很好. 本研究发现, 开始组分仅给定燃料物质是不够的, 当开始组分仅给定燃料物质, 则阈值着需很小, 形成的框架机理较大, 否则计算误差不可接受, 而开始组分给定燃料和氧化剂(或N2)物质, 阈值着可以取得较大, 形成的框架机理尺度可以较小, 而火焰模拟的精度仍很高.     

解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法

高保真的简化或骨架反应机理对多维计算流体力学（CFD）燃烧模拟极其重要。首先,针对不同简化目标,使用包含误差传播和敏感性分析的直接关系图方法（DRGEPSA）通过简化主要参比燃料（PRF）详细机理,获得了一系列简化机理,发现简化机理的结构随简化目标的改变而显著不同;其次,基于不确定性定量化方法评估简化机理的性能,结果表明为避免简化机理的预测结果失真,需要在简化方法中使用较小的相对误差;最后,提出了解耦法的理论依据,并使用该方法构建PRF燃料的骨架机理。结果发现通过耦合详细H₂/CO/C₁子机理和骨架C₄-C_n子机理,最终的骨架机理能够满意地预测滞燃期和火焰传播速度。     

C1-C2燃料燃烧机理的框架简化

采用六种直接关系图类（DRG）方法对包含253个物种和1542个反应的AramcoMech 1.3机理进行简化,并通过对所得到的六种简化机理取交集,最终得到包含81个物种和497个反应的框架机理。所得81个物种框架机理的点火延迟时间最大误差与其简化方法得到的框架机理最大误差相比并没有显著增加;这表明从不同简化方法的框架机理结果取交集可以有效去除冗余物种。基于81个物种框架机理模拟的双组分混合燃料的点火延迟时间与详细机理机理结果吻合很好。同时该框架机理在不同反应器中的模拟结果验证了温度、物种浓度分布和火焰等燃烧特性。元素流动分析结果表明,81个物种框架机理精确地再现了详细机理的燃烧反应路径。保留了详细机理的所有重要反应路径和层级结构,能够很好地再现C₁-C₂燃料的各种燃烧特性。因此,基于该81个物种框架机理可作为核心机理用于发展大分子烃类或含氧燃料的燃烧机理。