内燃机燃料燃烧详细化学反应动力学机理简化研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文内燃机燃料燃烧详细化学反应动力学机理简化研究国家“863”高科技研究发展项目(2012AA111721)专业：动力机械及工程博士生：吴作柱导师：乔信起教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年09月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityStudyonMechanismReductionforDetailedChemicalKineticsofICEngineFuelNationalHighTechnologyResearchProgram(No.2012AA111721)

2、Author:ZuozhuWuAdvisor:Prof.XinqiQiaoSpecialty:PowerMachineryandEngineeringSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversitySeptember,2015摘要内燃机燃料燃烧详细化学反应动力学机理简化研究摘要内燃机燃料的详细化学反应动力学机理包含的物质和基元反应数目过多，使得在一般的计算机上的多维数值模拟变得有难度。涉及到燃烧的数值模拟，其计算的速度一般跟物质数目具有二次方关系，因此减小详细机理中物质的数目对加快计算的速度具有明显的促进作用

3、。传统的CSP（ComputationalSingularPerturbation）算法只能计算化学反应过程上的一个时间或者空间点，对于像自燃反应器或者一维预混合层流火焰面等在时间上或者空间上不均匀的反应器，传统的CSP算法会出现问题。考虑到一种物质如果反应物质的浓度太小或者反应的速度太快，该物质都将被视为准稳态物质；同时也考虑到放热率是表征反应的激烈程度的一个标志，本文基于传统的CSP算法，提出了积分CSP算法，该算法将物质的浓度，物质的净生成速率和反应过程的放热率作为积分权重因子，对时间上或者空间上的准稳态物质标示符(radicalpointer)进行积分，得到了表

4、征整个反应过程的总的准稳态物质标示符，并以此为标准，得到最终的准稳态物质，这些准稳态物质将不会出现在最终的简化机理中。同时，积分CSP算法在执行之前，需要提供准稳态物质的数目。本文提出了一种确定准稳态物质的方法：先采用积分CSP算法生成不同准稳态物质数目下的简化机理，然后再计算采用不同简化机理时的着火延迟，并结合用户自定义阈值来确定准稳态物质的数目。开发了一套基于积分CSP算法的名叫I-CSP的C++程序。该程序利用Chemkin生成的链接文件和计算结果，利用Chemkin提供的一些接口函数读取包括放热率、压力、各物质的浓度等信息，并计算物质的净生成速率。再根据积分CS

5、P算法计算准稳态物质标示符(radicalpointer)和快速反应标示符(fastreactionpointer)，然后确定准稳态物质和相应的快速反应，最后生成简化机理。I-CSP源代码可以方便地予以修改和扩展，可以手动指定准稳态物质和快速反应，I上海交通大学博士论文大部分计算采用矩阵计算的方式，书写比较直观方便。生成的简化机理与Chemkin耦合，可以方便的验证简化机理的有效性。采用积分CSP算法，对包含一个碳原子的燃料甲烷进行了简化，采用着火延迟自定义阈值为5%，得到23种物质18步反应的简化机理。然后在PSR、自燃反应器和一维预混合层流火焰面中，在不同的压力、温

6、度、燃空比和质量流量下对简化机理进行了验证，证明了简化机理的有效性。同时，采用自定义阈值5%对简化机理进行“修剪”，去掉大量对反应系统影响较小的反应，得到进一步优化的简化机理。并与通过其它方式得到的简化机理作比较，结果显示，“修剪”能够在保证机理准确性的基础上较大幅度提高简化机理的计算效率。采用积分CSP算法，对包含两个碳原子的燃料二甲醚进行了简化，采用着火延迟自定义阈值为5%，得到26种物质20步反应的简化机理。然后在PSR、自燃反应器和一维预混合层流火焰面中，在不同的压力、温度、燃空比和质量流量下对简化机理进行了验证。同时在6114发动机上，利用AVLFire软件进

7、行了三维CFD计算，比较了采用简化机理和详细机理的计算结果，并与试验值作比较，结果证明了简化机理的有效性。采用积分CSP算法，对包含多个碳原子的燃料正丙醇和正庚烷进行了简化，采用着火延迟自定义阈值为5%，分别得到了123种物质117步反应和239种物质234步反应的简化机理。然后在PSR和自燃反应器中，在不同的压力、温度和燃空比下对简化机理进行了验证。同时，在快速压缩机中比较了压力、HC和CO的试验值和利用Chemkin得到的计算值，结果证明了简化机理的有效性。基于AVL公司的Fire软件，采用本文推导的二甲醚燃烧反应简化机理，针对二甲醚