CN104461688B - 一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，包括如下步骤：预模拟阶段，用详细燃烧反应机理模拟燃料的燃烧性质，对模拟结果进行数据抽样；选择机理中的重要物种，设定阈值，用元素流量分析结合误差传播的方法计算其他物种对重要物种的贡献，并与设定的阈值比较，删除详细机理中对重要物种贡献小于设定的阈值的物种，获得对应的骨架机理；变换不同的阈值，重复第二步，获得不同阈值对应的骨架机理；采用不同阈值获得的骨架机理模拟燃料的燃烧性质，模拟结果与预模拟阶段的结果进行比较，在可以接受的误差范围内，选择需要的骨架机理。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧过程的计算机模拟技术，尤其涉及的是一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法。
背景技术
燃烧提供了目前世界上超过80％的能源供应，在交通、工业和国防等核心领域发挥着不可替代的作用。随着对能源需求的迅速增长，传统化石能源不仅面临消耗殆尽的压力，而且带来了严重的环境和生态问题。如何实现燃料的高效清洁燃烧已经成为包括我国在内的世界各国面临的重大问题。燃料燃烧是流动、传热、传质和化学反应等多种物理和化学过程相互耦合的复杂体系。其中，化学动力学是燃烧的核心环节，在点火、火焰传播、污染物排放和燃烧室设计等关键问题中发挥着重要作用。发展并应用燃料燃烧的详细反应机理研究发动机燃烧室内的复杂燃烧过程等是提高发动机效率、降低污染的必然要求。详细燃烧反应机理通常包含数百个物种和上千步基元反应，复杂的化学机理除了使计算量大得难以承受外，机理中各种物种和反应涉及的特征时间尺度差异巨大，使得研究和计算的对象变为极强的刚性系统，在计算理论上也带来了巨大难题。因此，在不牺牲详细机理模拟精度的前提下，对详细机理进行简化和优化是实现化学反应和流体力学耦合计算，用于燃烧室设计等研究的基础。
国际上不断发展和利用数学方法来分析燃烧化学反应体系和简化详细机理，使机理简化不再依赖化学动力学专业背景和经验知识。机理简化方法可以分为两类：一类是骨架简化，即从详细机理中直接删除不重要的物种和反应；另一类是时间尺度简化，通过分析物种和反应的时间尺度进行简化。骨架机理简化是实现详细燃烧机理与流体力学耦合计算的第一步，尤其是针对大分子燃料的燃烧机理。因此，骨架简化方法的开发是目前研究的热点。需要值得注意的是，骨架简化机理除了需要再现详细机理的模拟结果和精度外，还需要保持合理的化学意义，否则基于简化机理进行的任何模拟都是没有意义的。
目前，以直接关系图方法为基础的骨架简化方法是骨架简化的常用方法。直接关系图方法是基于图论的思想，考虑详细机理中物种之间的复杂耦合关系，删除详细机理中不重要的物种和对应的反应。该方法的基本思路是如果详细机理中某物种B的去除将导致物种A的生成或消耗产生较大误差，则对于A物种来说，B物种是重要的。为了定量描述物种B对物种A的影响，需要定义定量的关系式描述这一现象。2005年，Lu和Law定义了一个最简单的关系式描述物种B对物种A的影响，即通过计算不同反应时刻B物种对物种A的净生成速率的贡献来描述。尽管上述简化方法在详细燃烧机理的骨架简化得到了广泛的应用，但是目前的骨架简化方法均没有考虑获得的骨架机理的化学合理性和可靠性，骨架机理一般通过对燃烧性质的模拟结果来进行验证。
为了解决上述问题，本发明提出了采用基于燃烧化学反应路径分析使用的元素流量分析与误差传播结合的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，该方法可以有效地在获得的骨架机理中保留详细燃烧化学反应机理的化学反应路径，得到模拟结果更为可靠的骨架机理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服了现有详细燃烧化学反应机理骨架简化方法不能有效考虑化学合理性和可靠性的不足，提出了一种基于元素流量分析和误差传播结合的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法。
本发明的技术方案为：
一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，包括以下四个步骤：
步骤(1)：预模拟阶段，用详细燃烧反应机理模拟燃料的燃烧性质，对模拟结果进行数据抽样，获得典型燃烧条件下物种浓度随温度、压力、时间或空间的变化信息；
步骤(2)：选择燃烧机理中的重要物种，设定一个在0到1之间的阈值，用元素流量分析结合误差传播的方法计算其他物种对重要物种的贡献，并与设定的阈值比较，删除详细机理中对重要物种贡献小于设定的阈值的物种及其对应的化学反应，获得对应的骨架机理；采用如下公式分析获得其他物种对重要物种的贡献：
rAB代表B物种对A物种生成或消耗的贡献，I和K代表详细机理包含的总的反应数目和物种数目，ElementA→B表示元素Element从物质A流动到B的流量，ωi表示反应i的净反应速率，NElement，A，NElement，B，和NElement，i分别为物种A，B和反应i中元素Element的数目；对于有多个反应路径的物种之间的耦合，则采用考虑误差传播影响的方法，计算物种之间的耦合系数，对于物种E对A的影响，用如下公式获得rAE：
步骤(3)：变换不同的阈值，重复步骤(2)，获得不同阈值对应的骨架机理；
步骤(4)：采用不同阈值获得的骨架机理模拟燃料的燃烧性质，模拟结果与预模拟阶段采用详细机理得到的模拟结果进行比较，在可以接受的误差范围内，获得需要的骨架机理。
所述的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，模拟的燃烧性质主要包括点火延迟时间、全混流反应器物种浓度分布和层流火焰速度等，用于详细机理骨架简化的抽样数据主要是模拟这些燃烧性质时物种浓度随温度、压力、时间或空间的变化信息。
本发明的有益效果在于：
(1)采用元素流量分析方法的基本公式用于骨架机理的简化，能够最大限度的保留骨架机理化学的合理性。
(2)在直接关系图方法的基本框架下，通过引入误差传播的方法，能够合理的描述不同组分对于重要物种的影响程度，可以最大程度的对详细机理进行简化。
(3)在本发明中，把上述(1)和(2)有机的耦合在一起，能够最大限度保留框架机理化学合理性的同时，对详细机理进行最大程度的简化。
附图说明
图1为本发明的骨架简化方法的流程图。
图2为物种之间相互耦合关系的示意图。
图3为采用本发明构建的丁酸甲酯的骨架机理对点火延迟时间的模拟结果(实线为详细燃烧机理的模拟结果，三角符号为本发明实施例得到的骨架机理模拟结果)。
图4为采用本发明构建的丁酸甲酯的骨架机理对层流火焰速度的模拟结果(实线为详细燃烧机理的模拟结果，实心方形符号为本发明实施例得到的骨架机理模拟结果)。
具体实施方式
图1给出了本发明提出的一种基于元素流量分析与误差传播结合的详细燃烧化学反应机理骨架简化方法的总体处理流程，下面结合其他附图及具体实施方式进一步地详细说明本发明。
本发明实施例是对包含275物种和1549步基元反应的丁酸甲酯的详细燃烧化学反应机理进行骨架简化，通过本实施例的分析，对本发明做详细说明。实施例主要步骤如下：
(1)预模拟阶段：采用详细燃烧化学反应机理在压力从1到30个大气压、温度从650到1700K和化学当量比从0.5到2.0的范围内模拟了丁酸甲酯燃料的点火延迟时间，对模拟结果的重要数据点进行了抽样；
(2)选择详细燃烧化学反应机理中的重要物种，针对本实施例，选择燃料丁酸甲酯和氧气作为重要物种，采用元素流量分析与误差传播相结合的处理方法，对步骤(1)模拟结果的抽样数据进行分析计算获得其他物种对重要物种的贡献；设定大小在0和1之间的阈值，把获得的不同物种对重要物种的贡献的数值与阈值相比较，大于这个阈值，则认为物种是重要的，该物种应该保留在骨架机理中；反之物种则是不重要的，把该物种从详细机理删除；本发明采用如下公式分析获得其他物种对重要物种的贡献：
rAB代表B物种对A物种生成或消耗的贡献，I和K代表详细机理包含的总的反应数目和物种数目，ElementA→B表示元素Element(如C，O等)从物质A流动到B的流量，ωi表示反应i的净反应速率，NElement，A，NElement，B，和NElement，i分别为物种A，B和反应i中元素Element的数目。
对于图2所示机理的关系图，如果rAB小于初始设定的阈值，则认为B物种对A是不重要的，可以从详细机理删除，否则骨架机理中保留B物种；对于有多个反应路径的物种之间的耦合，则采用考虑误差传播影响的方法，计算物种之间的耦合系数，如图2中，对于物种E对A的影响，用如下公式获得rAE：
(3)通过改变不同的阈值，获得了对应的骨架机理；针对本实施例，在阈值为0.067时，获得了只包含104个物种和613步基元反应的骨架机理。
(4)采用步骤(3)获得的骨架机理模拟了步骤(1)部分条件下采用详细燃烧化学反应机理模拟的点火延迟时间的燃烧特性，并且把详细燃烧机理和本实施例得到的骨架机理的模拟结果进行了比较，图3是采用详细机理和骨架机理在当量比为1、压力分别为1大气压(atm)和20大气压(atm)时模拟的丁酸甲酯的点火延迟时间随温度的变化情况，本实施例得到的骨架机理具有良好的模拟精度；本实施例进一步通过骨架机理对层流火焰速度的模拟结果进行了验证，图4为采用详细燃烧机理和本实施例得到的骨架机理在初始温度为400K、压力1大气压(atm)条件下层流火焰速度的模拟结果，本实施例得到的骨架机理对层流火焰速度也具有良好的模拟精度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，其特征在于，包括以下四个步骤：
步骤(1)：预模拟阶段，用详细燃烧反应机理模拟燃料的燃烧性质，对模拟结果进行数据抽样，获得典型燃烧条件下物种浓度随温度、压力、时间或空间的变化信息；
步骤(2)：选择燃烧机理中的重要物种，设定一个在0到1之间的阈值，用元素流量分析结合误差传播的方法计算其他物种对重要物种的贡献，并与设定的阈值比较，删除详细机理中对重要物种贡献小于设定的阈值的物种及其对应的化学反应，获得对应的骨架机理；采用如下公式分析获得其他物种对重要物种的贡献：
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rAB代表B物种对A物种生成或消耗的贡献，I代表详细机理包含的总的反应数目，K代表详细机理包含的物种数目，ElementA→B表示元素Element从物质A流动到B的流量，ωi表示反应i的净反应速率，NElement，A，NElement，B，和NElement，i分别为物种A，B和反应i中元素Element的数目；对于有多个反应路径的物种之间的耦合，则采用考虑误差传播影响的方法，计算物种之间的耦合系数，对于物种E对A的影响，用如下公式获得rAE：
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步骤(3)：变换不同的阈值，重复步骤(2)，获得不同阈值对应的骨架机理；
步骤(4)：采用不同阈值获得的骨架机理模拟燃料的燃烧性质，模拟结果与预模拟阶段采用详细机理得到的模拟结果进行比较，在可以接受的误差范围内，选择需要的骨架机理。
2.根据权利要求1所述的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，其特征在于，模拟的燃烧性质包括点火延迟时间、全混流反应器物种浓度分布和层流火焰速度，用于详细机理骨架简化的抽样数据是模拟这些燃烧性质时物种浓度随温度、压力、时间或空间的变化信息。
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