CN112630263A - 用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法。采用化学惰性混合气(Ar/He/N2)代替掺混组分，通过最优化算法调整混合气比例和火焰燃料/氧化剂入口流速，使得化学惰性混合气的温度场和理想化学惰性掺混组分基本一致，将最佳的惰性混合气比例和火焰燃料/氧化剂入口流速组合记为最优火焰工况。比较掺混组分和最优火焰工况的实验结果，即可在实验中分离出掺混组分的燃烧化学作用。本发明克服了原先只能通过数值模拟方法分离掺混组分燃烧化学作用的缺点，提供了一种新的实验方法，可以用于在对冲扩散火焰中准确实现各种掺混组分的燃烧化学作用辨识。

Description

用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法
技术领域
本发明属于燃烧技术领域，具体涉及一种用于在对冲扩散火焰中实现掺混组 分化学作用分离的方法。
背景技术
在发动机中将醇、醚类代用燃料掺入汽油或柴油后，发动机的颗粒物排放明 显降低；发动机开启EGR，将排气引入燃烧室后，缸内温度场得到改善，尾气中 的NOX排放可以大幅降低。许多研究均表明，合理地选择掺混组分的种类和掺混 比例，可以有效控制燃烧设备的火焰温度场并降低污染物排放。
掺混组分对火焰的燃烧作用按照作用途径可以分为以下几种：1.稀释作用： 掺混组分会降低基础组分的浓度；2.热作用：掺混组分的加入会影响混合气整 体的物理性质(热物性和扩散物性)，从而影响火焰温度场；3.化学作用：掺混 组分的加入会促使火焰中出现新的化学反应，进而改变体系放热率并产生新组分。 其中，稀释作用和热作用属于物理作用。许多在简化模型上进行的研究表明，物 理作用往往占据了主流，但掺混组分的化学作用对某些微量污染物的生成具有明 显的促进或抑制作用。
研究学者们一直致力于将掺混组分的化学作用分离出来，有学者提出了一种 数值模拟方法，在数值模拟中实现了掺混组分化学作用的准确分离：将理想化学 惰性掺混组分设为“虚拟掺混组分”，“虚拟掺混组分”具有和真实掺混组分完全 相同的物理性质，但“虚拟掺混组分”严格不参与反应。通过对比真实掺混组分 和“虚拟掺混组分”的模拟结果，即可实现掺混组分化学作用的准确分离。但上 述方法只能用于数值模拟，存在以下几点缺陷：1.由于“虚拟掺混组分”实际 不存在，使用上述数值方法得到的结果无法通过实验进行验证；2.火焰污染物 的某些特征，比如颗粒污染物的复杂理化特性无法通过数值模拟得到。
在实验中，研究者往往使用单一惰性气体如N2、Ar或He直接代替虚拟掺混 组分进行实验。由于N2/Ar/He和目标组分(虚拟掺混组分)的物理性质存在差 异，两者的温度场(即热作用)不可能完全保持一致。因此，在实验中，使用 N2/Ar/He代替虚拟掺混组分作为参照物分离出的化学作用是不准确的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用 分离的实验方法，可以用于将替代燃料/EGR气体等掺混组分的化学作用分离出 来单独研究，克服了原先的研究方法只能用于数值模拟，不能进行准确实验的缺 点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，
步骤1：首先在数值模拟中用惰性混合气等物质量地代替虚拟掺混组分，以 惰性混合气火焰温度场和虚拟掺混组分火焰温度场之差最小为目标进行优化，确 定混合气最佳的混合配比和燃料和氧化剂入口流速，记为最优火焰工况；
步骤2：用最优火焰工况进行实验，对比最优火焰工况和掺混组分的实验结 果，即可实现掺混组分化学作用的分离。
进一步地，所述步骤1包括：
步骤1-1：修改火焰求解所使用的化学反应机理，在机理中添加虚拟掺混组 分，将火焰入口物流中的掺混组分等物质量地替换为虚拟掺混组分，计算含有虚 拟掺混组分的火焰温度场，记为温度场A；
步骤1-2：将燃料或氧化剂中的掺混组分等物质量地代替为所述惰性混合气， 其中惰性混合气配比为自由变量，循环计算所得的火焰温度场记为温度场B，以 温度场B和温度场A的峰值温度之差最小为目标进行优化，将每次循环计算所 得结果与算法的第一停止准则对比，若满足第一停止准则，则退出循环，输出最 佳的混合气配比。
步骤1-3：将燃料和氧化剂入口流速设为自由变量，混合气比例使用步骤1-2 的优化结果，循环计算所得火焰温度场记为温度场C，以温度场C和温度场A的 温度场平均偏差最小为目标进行优化，将每次循环计算所得结果与算法的第二停 止准则对比，满足第二停止准则，则退出循环，输出最佳的燃料入口流速和氧化 剂入口流速，将最佳的混合气配比和最佳的燃料入口流速和氧化剂入口流速记为 最优火焰工况。
进一步地，所述混合气为惰性混合气体。
进一步地，所述惰性混合气包括N2/Ar/He三种气体中的至少两种。
进一步地，所述掺混组分为气体，所述气体可以是液体预蒸发形成的蒸气。
进一步地，所述虚拟掺混组分为20％的虚拟CO2。
进一步地，所述最优工况为90％的N2和10％的He的混合气、燃料和氧化剂 入口流速均为22.15cm/s。
进一步地，所述步骤1-2中的第一停止准则为：最大迭代次数、最大迭代时 间或最小温度峰值偏差。
进一步地，所述步骤1-3中的第二停止准则为：最大迭代次数、最大迭代时 间或最小温度场均值偏差。
进一步地，所述步骤1-2中所述的温度场峰值偏差△Tmax为温度场A和温度 场B中最高温度的差值，由式1计算得到；所述步骤1-3中所述的温度场均值偏 差△Tave为温度场A和温度场C的各空间坐标节点对应温度之差的平均值，由式 2计算得到，
ΔTmax＝|maxTA(x)-maxTB(x)| 式(1)
Figure BDA0002774798000000031
其中，节点数量n大于100，maxTA(x)表示温度场A中的最高温度，maxTB (x)表示温度场B中的最高温度，TA(xk)表示温度场A中第k个节点对应的温 度，TC(xk)表示温度场C中第k个节点对应的温度，k表示第k个节点。
本发明使用N2/Ar/He的混合气代替虚拟掺混组分进行实验，通过优化惰性 混合气的配比和燃料/氧化剂入口流速，使优化后的惰性混合气的火焰温度场和 虚拟掺混组分火焰温度场基本一致，从而在实验中实现了“虚拟掺混组分”这一 在实验中不存在的理想参照物，将优化后的火焰工况用于对比实验，即可在实验 中实现化学作用的分离。
相比于直接使用N2/Ar/He中的任意一种气体代替虚拟掺混组分进行实验， 本发明的有益效果是：单种惰性气体在所设工况下无法准确代表虚拟掺混组分的 热作用，而使用优化后的N2/Ar/He混合气进行实验则可以较好地代表理想的不 发生反应的虚拟掺混组分的热作用对火焰峰值温度的影响；此外，通过优化燃料 /氧化剂入口流速，可以将惰性混合气火焰和虚拟掺混组分火焰的温度场平均偏 差最小化，将最优惰性混合气和燃料/氧化剂入口流速的组合记为最优火焰工况， 使用最优火焰工况进行实验，可以较好地代表理想的不发生反应的虚拟掺混组分 的热作用对火焰温度场的整体影响。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
以EGR气体中的主要掺混组分CO2为例，对本发明进行进一步说明。通过数 值模拟，对比直接使用N2/Ar/He中的任意一种气体代替CO2和使用本发明提出 的方法分离出的化学作用，以阐明本发明的优点。具体步骤如下：
步骤1：如表1所示，在燃料乙烯中加入20％的虚拟CO2进行计算，对应工 况2。虚拟CO2的火焰温度场记为温度场A。
燃料和氧化剂流速保持一致，氧化剂为空气，燃料喷嘴和氧化剂喷嘴间距为 1cm，对冲火焰拉伸率保持为85s-1。此外，分别采用N2/Ar/He代替CO2进行计 算，对应工况3、工况4和工况5。
表1.火焰参数设置表
Figure BDA0002774798000000041
步骤2：将虚拟CO2替换为由N2/Ar/He组成的混合气，其中混合气配比为自 由变量。将火焰模拟程序和最优化算法耦合起来，所述最优化算法可以为遗传算 法等现有寻优算法，将每次循环计算所得火焰温度场记为温度场B，以温度场B 和温度场A的峰值温度差距最小为目标进行优化，将每次循环计算所得结果与算 法的停止准则对比，满足停止准则，则退出循环，输出混合气的最佳配比。所述 停止准则可以为达到最大迭代次数、最大迭代时间或最小温度峰值偏差。优化结 果表明，使用90％的N2和10％的He进行掺混，所得混合气可以较好地代表虚拟 CO2火焰的峰值温度。
步骤3：将燃料/氧化剂的入口流速设为自由变量，此时混合气比例使用步 骤2的优化结果，每次循环计算所得火焰温度场记为温度场C，以温度场C和温 度场A的场均差距最小为目标进行优化，将每次循环计算所得结果与算法的停止 准则对比，满足停止准则，则退出循环，输出最佳燃料/氧化剂入口流速。所述 停止准则可以为达到最大迭代次数、最大迭代时间或最小温度场均值偏差。优化 结果表明，燃料侧流速为22.15cm/s时，混合气的整体温度场和虚拟CO2最为接 近。
步骤4：将最佳混合气和最佳燃料/氧化剂入口流速组合记为最优工况，对 应表1工况6。使用最优工况进行对冲扩散火焰实验，通过对比最优工况和表1 工况1的实验结果，即可在实验中获得掺混组分的化学作用。
表2a和表2b列出了在数值模拟中，由不同稀释气分离出的化学作用对火焰 温度和苯浓度的作用值，包括单独使用N2/Ar/He分离出的结果和使用虚拟CO2在模拟中分离的结果，以及使用最优火焰工况分离的结果。如表2a和表2b所示， 相比于单一的惰性气体，使用最优火焰工况分离出的化学作用和虚拟CO2最为接 近。
表2a.不同稀释气分离出的CO2的化学作用对火焰温度场的作用值表
Figure BDA0002774798000000051
表2b.不同稀释气分离出的CO2的化学作用对苯浓度场的作用值表
Figure BDA0002774798000000052
Figure BDA0002774798000000061
当需要研究掺混组分对氮氧化物的化学作用时，将由N2/Ar/He组成的混合 气中N2的掺混比例预设为0，即用Ar/He组成混合气代替虚拟掺混组分，并对 Ar/He的掺混比例进行优化。
本发明提出的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的实验方 法，在对冲扩散火焰实验中，使用化学惰性混合气(Ar/He/N2)代替掺混组分， 通过数值模拟调整混合气比例和火焰入口流速，使得化学惰性混合气的温度场和 理想化学惰性掺混组分基本一致，将最佳的混合气比例和火焰入口流速的组合记 为最优火焰工况。比较掺混组分和最优火焰工况的实验结果，即可在实验中分离 出掺混组分的燃烧化学作用，可以用于在对冲扩散火焰中准确实现各种掺混组分 的燃烧化学作用辨识。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员 应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说 明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化 和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，
步骤1：首先在数值模拟中用惰性混合气等物质量地代替虚拟掺混组分，以惰性混合气火焰温度场和虚拟掺混组分火焰温度场之差最小为目标进行优化，确定混合气最佳的混合配比和燃料和氧化剂入口流速，记为最优火焰工况；
步骤2：用最优火焰工况进行实验，对比最优火焰工况和掺混组分的实验结果，即可实现掺混组分化学作用的分离。
2.根据权利要求1所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1-1：修改火焰求解所使用的化学反应机理，在机理中添加虚拟掺混组分，将火焰入口物流中的掺混组分等物质量地替换为虚拟掺混组分，计算含有虚拟掺混组分的火焰温度场，记为温度场A；
步骤1-2：将燃料或氧化剂中的掺混组分等物质量地代替为所述惰性混合气，其中惰性混合气配比为自由变量，循环计算所得的火焰温度场记为温度场B，以温度场B和温度场A的峰值温度之差最小为目标进行优化，将每次循环计算所得结果与算法的第一停止准则对比，若满足第一停止准则，则退出循环，输出最佳的混合气配比；
步骤1-3：将燃料和氧化剂入口流速设为自由变量，混合气比例使用步骤1-2的优化结果，循环计算所得火焰温度场记为温度场C，以温度场C和温度场A的温度场平均偏差最小为目标进行优化，将每次循环计算所得结果与算法的第二停止准则对比，满足第二停止准则，则退出循环，输出最佳的燃料入口流速和氧化剂入口流速，将最佳的混合气配比和最佳的燃料入口流速和氧化剂入口流速记为最优火焰工况。
3.根据权利要求2所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述混合气为惰性混合气体。
4.根据权利要求3所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述惰性混合气包括N2/Ar/He三种气体中的至少两种。
5.根据权利要求2所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述掺混组分为气体。
6.根据权利要求2所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述虚拟掺混组分为20％的虚拟CO2。
7.根据权利要求6所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述最优工况为90％的N2和10％的He的混合气、燃料和氧化剂入口流速均为22.15cm/s。
8.根据权利要求2-7任一项所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述步骤1-2中的第一停止准则为：最大迭代次数、最大迭代时间或最小温度峰值偏差。
9.根据权利要求8所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述步骤1-3中的第二停止准则为：最大迭代次数、最大迭代时间或最小温度场均值偏差。
10.根据权利要求2所述的用于在对冲扩散火焰中实现掺混组分化学作用分离的方法，其特征在于，所述步骤1-2中所述的温度场峰值偏差△Tmax为温度场A和温度场B中最高温度的差值，由式1计算得到；所述步骤1-3中所述的温度场均值偏差△Tave为温度场A和温度场C的各空间坐标节点对应温度之差的平均值，由式2计算得到，
ΔTmax＝|maxTA(x)-maxTB(x)| 式(1)
Figure FDA0002774797990000021
其中，节点数量n大于100，maxTA(x)表示温度场A中的最高温度，maxTB(x)表示温度场B中的最高温度，TA(xk)表示温度场A中第k个节点对应的温度，TC(xk)表示温度场C中第k个节点对应的温度，k表示第k个节点。
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