用于燃燒模擬的動態(tài)自適應(yīng)機理方法及其應(yīng)用.pdf

1、為了掌握燃燒過程的精細流場結(jié)構(gòu)及污染物的排放特性，實現(xiàn)一次能源的高效清潔利用，需要對碳氫燃料燃燒反應(yīng)流進行詳細的分析。其中將基元燃燒模型與計算流體力學(xué)模型相耦合的方法被證明是對反應(yīng)流進行精確數(shù)值模擬的一種有效途徑。然而碳氫燃料的詳細化學(xué)反應(yīng)機理常常包含數(shù)目龐大的基元反應(yīng)與組分，在每個計算網(wǎng)格中求解構(gòu)建化學(xué)動力學(xué)過程的具有強剛性的非線性常微分方程組將耗費大量的CPU時間，為數(shù)值模擬帶來巨大障礙。為此，對詳細化學(xué)反應(yīng)機理進行簡化處理已成為保

2、證機理可用性的關(guān)鍵。針對目前全局機理簡化方法難以兼顧簡化程度與計算精度的矛盾與基于多工況的離線最優(yōu)機理簡化方法搜尋過程中花費時間巨大的問題，本文對傳統(tǒng)的動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)機理方法(dynamic adaptive chemistry，DAC)進行改進，提出了一種新的變步長動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)機理方法(variable step dynamic adaptive chemistry，VSDAC)。本文的主要工作包括：
　　1）分析了機理簡化閾

3、值與初始搜索組分集合的選取對動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)機理方法性能的影響，初始搜索組分集合選為燃料+CO+HO2時，動態(tài)自適應(yīng)機理方法具有較好的性能，同時閾值存在一個最佳值。
　　2）在充分比較常見機理簡化方法的基礎(chǔ)上，基于直接關(guān)系圖深度搜索算法完成了即時簡化方法的設(shè)計。在燃燒過程的不同時刻點，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臒峄瘜W(xué)狀態(tài)對詳細機理進行簡化，得到即時的當(dāng)?shù)睾喕瘷C理以應(yīng)用于下一時間步的計算。
　　3）針對不同燃燒階段基元組分和基元反應(yīng)活躍程度變化

4、不盡相同的特點，對DAC方法進行改進，根據(jù)當(dāng)?shù)販囟茸兓那闆r對即時機理簡化的時間步長進行動態(tài)調(diào)整，而得到一種新的變步長動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)機理方法VSDAC。
　　4）為了驗證VSDAC方法的機理適應(yīng)性、精確性和快速性，應(yīng)用該方法，在不同初始壓力、溫度及當(dāng)量比條件下對正庚烷(558種組分/2539個反應(yīng))、異辛烷以及汽油替代燃料(1034種組分/4236個反應(yīng))的定壓絕熱大空間自燃著火過程進行了模擬，并與全過程采用詳細機理的計算結(jié)果，以

5、及傳統(tǒng)DAC方法的計算結(jié)果進行了比較。
　　比較結(jié)果證明，與全過程采用詳細機理的模擬方法相比，VSDAC方法得到了精確的溫度、各主要組分質(zhì)量份額隨時間變化規(guī)律以及著火延遲時間與最高溫度等參數(shù)。該方法與傳統(tǒng)DAC相比，在保證模擬精度的同時，模擬效率得到進一步提高。證明了該方法的正確性、高效性。
　　本文提出的VSDAC方法可用于基于詳細反應(yīng)機理的燃燒過程模擬，為解決燃燒反應(yīng)流模擬的精度和計算耗時之間的矛盾、拓展詳細機理的應(yīng)用范