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文檔簡介
1、生物柴油特有的物化性質(zhì)使其成為有潛力的柴油機替代燃料。為了清潔高效地利用生物柴油,有必要加深對其燃燒過程的認識。計算流體力學(xué)(CFD)耦合化學(xué)動力學(xué)的先進模擬技術(shù)已成為人們理解缸內(nèi)燃燒過程的重要手段,這也將是今后生物柴油三維燃燒模擬的主流技術(shù)。因為詳細反應(yīng)機理的計算成本還無法接受,所以建立計算效率高的、可靠的生物柴油簡化化學(xué)反應(yīng)機理將是該技術(shù)得以工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。然而,一方面生物柴油簡化機理在最近幾年才開始發(fā)展起來,還有待完善和發(fā)展。另
2、一方面,從詳細化學(xué)反應(yīng)機理出發(fā)構(gòu)建生物柴油簡化機理面臨兩個挑戰(zhàn),一是詳細機理的規(guī)模龐大,簡化工作不易進行,二是簡化機理應(yīng)該隨詳細機理的更新而更新。所以,本文從CFD耦合化學(xué)動力學(xué)的模擬技術(shù)的原理、化學(xué)反應(yīng)機理縮減方法的發(fā)展、大型機理縮減平臺的開發(fā)、構(gòu)建簡化機理的技術(shù)、生物柴油簡化替代機理的構(gòu)建及其在低溫燃燒三維模擬分析中的應(yīng)用方面展開研究。本文的主要工作和成果有:
?。?)本文首先將廣泛應(yīng)用的開源程序KIVA-3V Releas
3、e2和CHEMKIN-Ⅲ耦合起來,建立KIVA-CHEMKIN模擬平臺,經(jīng)驗證該平臺正確有效,并被應(yīng)用于柴油和生物柴油的缸內(nèi)燃燒過程的模擬分析。本文還介紹了目前較為先進的商業(yè)軟件平臺CONVERGE的特點,對比了該軟件與KIVA-CHEMKIN的模擬流程?;谶@兩個平臺,詳細介紹了內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒三維模擬的原理、化學(xué)動力學(xué)的計算原理及CFD耦合化學(xué)動力學(xué)的模擬方法,為機理縮減程序的開發(fā)及生物柴油簡化機理的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。
?。?)
4、本文提出了組分成團消除法來移除反應(yīng)機理的次要組分?;诮M分對著火延遲時間的強力敏感性系數(shù)有正有負的特點,組分成團消除法選擇一批組分同時消除,利用正負敏感性系數(shù)的抵消作用來控制誤差。通過合理地設(shè)置組分團的選擇范圍,該方法既能高效地篩選出次要組分,又能有效地控制簡化機理的誤差。組分成團消除法與其它組分消除方法相比有以下優(yōu)點:第一、計算時間消耗少,因為不用對次要組分逐個消除并校核誤差;第二、始終以詳細機理為參照,避免了簡化過程過早結(jié)束的問題。
5、
?。?)利用FORTRAN語言自主開發(fā)了詳細化學(xué)反應(yīng)機理縮減程序MRC(Mechanism Reduction Code)。MRC包括兩個模塊:一是基于考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(DRGEP)的模塊,二是基于強力敏感性分析和組分成團消除法的模塊。經(jīng)過異辛烷詳細機理的縮減驗證,MRC正確有效地實現(xiàn)半自動機理縮減,可用于其它碳氫燃料詳細機理的縮減研究。異辛烷機理的簡化計算還發(fā)現(xiàn),對于具有負溫度系數(shù)(NTC)特征的碳氫燃料,其反應(yīng)路
6、徑和組分的耦合聯(lián)系在NTC區(qū)域最復(fù)雜;在 NTC區(qū)域工況點迭代使用DRGEP獲得的縮減機理性能較全面,可作為該縮減階段最終機理的基礎(chǔ);之后,可選擇少數(shù)代表性工況,如NTC工況點、高溫工況點和低溫工況點,迭代執(zhí)行組分成團消除構(gòu)建精度較高的簡化機理。
(4)以正庚烷(NHP)和癸酸甲酯(MD)為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個新的生物柴油簡化機理?;?MRC程序及異辛烷機理縮減的經(jīng)驗技術(shù),以著火延遲時間為主要控制參數(shù),將美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗
7、室(LLNL)的一個包含654個組分和2827個反應(yīng)的NHP詳細機理簡化為由60個組分和216個反應(yīng)組成的簡化機理,同時將LLNL的一個包含2878個組分和8555個反應(yīng)的 MD詳細機理簡化為由87個組分和219個反應(yīng)構(gòu)成的簡化機理。合并這兩個簡化機理得到了一個包含111個組分和310個反應(yīng)的機理,稱為Bio111機理。經(jīng)大范圍的激波管試驗、射流攪拌反應(yīng)器試驗和柴油機常規(guī)燃燒試驗的驗證,Bio111機理顯示了對NHP、MD及生物柴油燃燒
8、的良好預(yù)測能力。
(5)應(yīng)用Bio111機理對大豆生物柴油兩次噴射的低溫燃燒過程進行三維模擬分析,模型對低溫燃燒放熱特征的預(yù)測效果良好。其中,燃油早噴的預(yù)混壓縮著火低溫燃燒呈現(xiàn)低溫冷焰現(xiàn)象,Bio111機理能夠良好地預(yù)測這一放熱特征。由化學(xué)反應(yīng)分析可知,缸內(nèi)處于發(fā)生NTC現(xiàn)象的條件,缸內(nèi)同時發(fā)生低溫鏈分支反應(yīng)、鏈傳播反應(yīng)、正庚烷基和癸酸甲酯基的裂解反應(yīng),這是出現(xiàn)低溫冷焰放熱的原因。構(gòu)建的Bio111機理為將來采用先進的化學(xué)反應(yīng)
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