燃烧化动机理模型的精确性评价研究

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094035加速详细反应动力学计算的ISAT改进方法的研究*基金项目：国家基础研究重点规划项目子课题（2007CB210002）,国家自然科学基金青年基金（50806008）贾明，解茂昭，周磊，刘红（大连理工大学能源与动力学院，大连116024）(Tel:13842870115,Email:jm2020jm@gmail.com)摘要：非结构化自适应列表法（ISAT）方法以其高效、误差可控的突出优点在最近的使用详细反应动力学的燃烧计算中得到了广泛的应用。本文通过对ISAT基本原理的分析，讨论了ISAT存在的问题及改进的方法。在配对混合搅拌

2、反应器（PMSR）和均质压燃（HCCI）发动机中，利用ISAT对不同的改进方案进行了计算比较，讨论了影响ISAT方法性能，如计算时间、内存占用和误差控制等方面的因素。结果表明逆向搜索方法可以显著提高ISAT的加速比，动态存储库方法可以大大降低内存的占用量。关键词：化学动力学模型；存储/提取法；非结构化自适应列表法；配对混合搅拌反应器；均质压燃发动机0前言由于世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，改进传统燃烧方式（如均质压燃（HCCI）发动机）以提高燃烧效率降低排放成为当今的热点课题，其中数值模拟方法由于其经济有效的优点更是得到了广泛的应用。由于在燃烧过程中化学反应的复杂

3、性，为精确模拟整个燃烧过程并预测排放必须采用详细反应动力学机理。但是将包括至少几十种组分的详细反应动力学机理与复杂的湍流流动直接耦合起来求解所需要的计算资源超过目前计算机所能承受的范围，因此需要加速占据大部分计算时间的详细反应动力学的计算速度。传统的方法是使用准稳态（QSSA）或准平衡（PE）方法[1]直接对详细反应机理简化，但是这种方法需要人为的判断准稳态的组分或准平衡的反应，同时简化后的机理只能适用于部分当量比、温度和压力的范围。另一类方法，如固有低维流形法（ILDM）[2]、计算奇异值扰动（CSP）[3]方法通过降低描述化学反应系统的自由度，以加快化学反应的计算速度，但是

4、通过有限的几个自由度来描述整个反应过程会引入较大的误差，使得误差无法得到有效的控制。第三类方法是存储/提取法，通过把化学反应源项存储在一个多维的存储库中，从而在CFD的计算中无需对此源项进行计算，可以从存储库中直接提取，大大节约了计算时间。存储/提取法的实现方式很多，包括向上查表法（LUT）[4]、分段实现解图法（PRISM）[5]、人工神经网络法（ANN）[6]和非结构化自适应列表法（ISAT）[7]等，其中ISAT方法以其高的存储/提取效率、误差的可控制性在众多方法中显示了较大的优越性。本文对ISAT方法的基本原理、存在的问题及改进方法展开深入的讨论。1ISAT方法的基本原

5、理1.1数学模型在实际的燃烧计算中发现，即使对简单的反应－扩散的反应流模型，加入详细反应动力学后，由于化学反应强烈的非线性，使得守恒方程成为一个刚性系统，从而导致方程求解时间过长[8]。对于湍流燃烧这类问题显得更为严重，由于反应器几何形状的复杂性，湍流流动、化学反应方程中强烈的非线性和化学组分数目过多等因素的影响，直接将采用大量网格的CFD模型与采用详细反应动力学机理的化学反应模型耦合起来求解所需要的计算机资源已远远超过当前计算机的发展水平。为解决这一难题，目前普遍采用的是分离式的求解方法，即在单位时间步长内，先计算反应器内的流动与传热过程，然后再分别计算每个网格的化学反应过程

6、。因此，受化学反应影响的能量方程和组分方程可以从总的守恒方程提取出来，表示如式（1）所示：（1）定义，上述方程可以改写为：（2）其中T为温度，Yk为第k种组分的质量分数，p为压力，ns为化学机理中组分的数目，S为由于化学反应所引起温度和组分变化的源项。因此化学反应的计算的任务成为求解式（2）中ns+1个常微分方程组的初值问题，即给定初始的组分、温度和压力求解时间反应后的组分和温度。最为直接的方法就是对式（2）直接积分（简称为DI），每给定一个初始条件均对其进行积分计算。由于式（2）所示的常微分方程刚性很强，其求解必须采用隐式变时间步长的求解器，积分的计算量很大，这直接导致化学反

7、应计算占用整个燃烧计算的绝大部分时间。1.2ISAT方法的原理ISAT使用列表技术避免了DI的问题。ISAT全称为非结构化自适应列表法，表示使用非结构化的列表方式自适应地存储实际反应所访问的相空间中的点，并且可以控制提取误差。1.2.1取值方法和椭圆域图1和在反应空间中映射示意图Figure1Sketchofthemappingsfromandinthereactionspace图1显示了整个反应系统在ns+1维反应空间中的映射示意图，其中。图中给定初始的组分和温度的点在经过时间反应后，相应