本文關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機燃料燃燒詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理簡化研究

  更多相關(guān)文章： 簡化機理 積分CSP算法 I-CSP 內(nèi)燃機燃料 著火延遲 快速壓縮機

【摘要】：內(nèi)燃機燃料的詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理包含的物質(zhì)和基元反應(yīng)數(shù)目過多,使得在一般的計算機上的多維數(shù)值模擬變得有難度。涉及到燃燒的數(shù)值模擬,其計算的速度一般跟物質(zhì)數(shù)目具有二次方關(guān)系,因此減小詳細機理中物質(zhì)的數(shù)目對加快計算的速度具有明顯的促進作用。傳統(tǒng)的CSP(Computational Singular Perturbation)算法只能計算化學(xué)反應(yīng)過程上的一個時間或者空間點,對于像自燃反應(yīng)器或者一維預(yù)混合層流火焰面等在時間上或者空間上不均勻的反應(yīng)器,傳統(tǒng)的CSP算法會出現(xiàn)問題�？紤]到一種物質(zhì)如果反應(yīng)物質(zhì)的濃度太小或者反應(yīng)的速度太快,該物質(zhì)都將被視為準穩(wěn)態(tài)物質(zhì);同時也考慮到放熱率是表征反應(yīng)的激烈程度的一個標志,本文基于傳統(tǒng)的CSP算法,提出了積分CSP算法,該算法將物質(zhì)的濃度,物質(zhì)的凈生成速率和反應(yīng)過程的放熱率作為積分權(quán)重因子,對時間上或者空間上的準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標示符(radical pointer)進行積分,得到了表征整個反應(yīng)過程的總的準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標示符,并以此為標準,得到最終的準穩(wěn)態(tài)物質(zhì),這些準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)將不會出現(xiàn)在最終的簡化機理中。同時,積分CSP算法在執(zhí)行之前,需要提供準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的數(shù)目。本文提出了一種確定準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的方法:先采用積分CSP算法生成不同準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目下的簡化機理,然后再計算采用不同簡化機理時的著火延遲,并結(jié)合用戶自定義閾值來確定準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的數(shù)目。開發(fā)了一套基于積分CSP算法的名叫I-CSP的C++程序。該程序利用Chemkin生成的鏈接文件和計算結(jié)果,利用Chemkin提供的一些接口函數(shù)讀取包括放熱率、壓力、各物質(zhì)的濃度等信息,并計算物質(zhì)的凈生成速率。再根據(jù)積分CSP算法計算準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標示符(radical pointer)和快速反應(yīng)標示符(fast reaction pointer),然后確定準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)和相應(yīng)的快速反應(yīng),最后生成簡化機理。I-CSP源代碼可以方便地予以修改和擴展,可以手動指定準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)和快速反應(yīng),大部分計算采用矩陣計算的方式,書寫比較直觀方便。生成的簡化機理與Chemkin耦合,可以方便的驗證簡化機理的有效性。采用積分CSP算法,對包含一個碳原子的燃料甲烷進行了簡化,采用著火延遲自定義閾值為5%,得到23種物質(zhì)18步反應(yīng)的簡化機理。然后在PSR、自燃反應(yīng)器和一維預(yù)混合層流火焰面中,在不同的壓力、溫度、燃空比和質(zhì)量流量下對簡化機理進行了驗證,證明了簡化機理的有效性。同時,采用自定義閾值5%對簡化機理進行“修剪”,去掉大量對反應(yīng)系統(tǒng)影響較小的反應(yīng),得到進一步優(yōu)化的簡化機理。并與通過其它方式得到的簡化機理作比較,結(jié)果顯示,“修剪”能夠在保證機理準確性的基礎(chǔ)上較大幅度提高簡化機理的計算效率。采用積分CSP算法,對包含兩個碳原子的燃料二甲醚進行了簡化,采用著火延遲自定義閾值為5%,得到26種物質(zhì)20步反應(yīng)的簡化機理。然后在PSR、自燃反應(yīng)器和一維預(yù)混合層流火焰面中,在不同的壓力、溫度、燃空比和質(zhì)量流量下對簡化機理進行了驗證。同時在6114發(fā)動機上,利用AVL Fire軟件進行了三維CFD計算,比較了采用簡化機理和詳細機理的計算結(jié)果,并與試驗值作比較,結(jié)果證明了簡化機理的有效性。采用積分CSP算法,對包含多個碳原子的燃料正丙醇和正庚烷進行了簡化,采用著火延遲自定義閾值為5%,分別得到了123種物質(zhì)117步反應(yīng)和239種物質(zhì)234步反應(yīng)的簡化機理。然后在PSR和自燃反應(yīng)器中,在不同的壓力、溫度和燃空比下對簡化機理進行了驗證。同時,在快速壓縮機中比較了壓力、HC和CO的試驗值和利用Chemkin得到的計算值,結(jié)果證明了簡化機理的有效性�；贏VL公司的Fire軟件,采用本文推導(dǎo)的二甲醚燃燒反應(yīng)簡化機理,針對二甲醚發(fā)動機數(shù)值模擬了缸內(nèi)燃燒和排放的細節(jié),并在發(fā)動機臺架進行試驗,證明模擬計算結(jié)果同臺架試驗實測結(jié)果基本吻合,驗證了計算模型和簡化機理的正確性;數(shù)值模擬了電控二甲醚發(fā)動機缸內(nèi)過程,得到1570r/min不同負荷下的二甲醚濃度場,缸內(nèi)溫度場和CO濃度場;在WP6.210電控二甲醚發(fā)動機做燃燒試驗,獲取缸內(nèi)壓力、壓力升高率、缸內(nèi)溫度、放熱率、燃燒相位等燃燒參數(shù)和尾氣污染物排放值,并做綜合分析。
【關(guān)鍵詞】：簡化機理 積分CSP算法 I-CSP 內(nèi)燃機燃料 著火延遲 快速壓縮機
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-35
• 1.1 引言13
• 1.2 內(nèi)燃機燃燒數(shù)值模擬現(xiàn)狀13-15
• 1.3 內(nèi)燃機燃料發(fā)展現(xiàn)狀15-18
• 1.4 機理簡化方法發(fā)展現(xiàn)狀18-32
• 1.4.1 骨架機理的構(gòu)建方法19-25
• 1.4.1.1 敏感性分析法19-20
• 1.4.1.2 反應(yīng)路徑流量分析法20-22
• 1.4.1.3 直接關(guān)系圖法22-23
• 1.4.1.4 基于直接關(guān)系圖法的改進方法23-25
• 1.4.2 基于時間尺度的簡化機理的構(gòu)建方法25-32
• 1.4.2.1 部分平衡假設(shè)以及準穩(wěn)態(tài)假設(shè)法25-27
• 1.4.2.2 固有低維流形27-29
• 1.4.2.3 計算奇異擾動29-32
• 1.5 本文的研究內(nèi)容和意義32-35
• 第二章 積分CSP算法的提出及實現(xiàn)35-47
• 2.1 積分CSP算法原理36-38
• 2.2 簡化機理的構(gòu)建38-40
• 2.3 準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目的確定40-41
• 2.4 基于積分CSP算法的計算機程序I-CSP的實現(xiàn)41-45
• 2.4.1 程序的鏈接及初始化42-43
• 2.4.2 CHEMKIN-PRO計算結(jié)果的讀取43
• 2.4.3 雅克比矩陣及其特征值特征向量的獲取43-44
• 2.4.4 準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)標示符的計算和快速反應(yīng)的確定44
• 2.4.5 簡化機理的構(gòu)建以及簡化機理反應(yīng)速率的確定44-45
• 2.5 本章小節(jié)45-47
• 第三章 采用積分CSP算法的單碳物質(zhì)機理簡化研究47-65
• 3.1 甲烷準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目及準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的確定47-48
• 3.2 簡化機理的驗證48-63
• 3.2.1 PSR中簡化機理的驗證48-52
• 3.2.2 自燃反應(yīng)器中簡化機理的驗證52-58
• 3.2.3 一維預(yù)混合層流火焰面中簡化機理的驗證58-61
• 3.2.4 積分CSP算法導(dǎo)出的簡化機理與其他簡化機理的比較61-63
• 3.3 本章小結(jié)63-65
• 第四章 采用積分CSP算法的雙碳物質(zhì)機理簡化研究65-81
• 4.1 二甲醚簡化機理準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目以及準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的確定65-66
• 4.2 二甲醚簡化機理的驗證66-76
• 4.2.1 PSR中二甲醚簡化機理的驗證66-69
• 4.2.2 自燃反應(yīng)器中二甲醚簡化機理的驗證69-74
• 4.2.3 一維預(yù)混合層流火焰面中二甲醚簡化機理的驗證74-76
• 4.3 發(fā)動機中二甲醚簡化機理的試驗驗證76-80
• 4.4 本章小結(jié)80-81
• 第五章 采用積分CSP算法的多碳物質(zhì)機理簡化研究81-107
• 5.1 采用積分CSP算法的正丙醇機理簡化研究81-90
• 5.1.1 正丙醇簡化機理準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目以及準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的確定81-82
• 5.1.2 正丙醇簡化機理的驗證82-90
• 5.1.2.1 PSR中正丙醇簡化機理的驗證82-84
• 5.1.2.2 自燃反應(yīng)器中正丙醇簡化機理的驗證84-90
• 5.2 采用積分CSP算法的正庚烷機理簡化研究90-99
• 5.2.1 正庚烷簡化機理準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)數(shù)目以及準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的確定90-91
• 5.2.2 正庚烷簡化機理的驗證91-99
• 5.2.2.1 PSR中正庚烷簡化機理的驗證93-94
• 5.2.2.2 自燃反應(yīng)器中正庚烷簡化機理的驗證94-99
• 5.3 快速壓縮機上簡化機理的驗證99-105
• 5.4 本章小結(jié)105-107
• 第六章 電控二甲醚發(fā)動機燃燒的模擬和試驗分析107-123
• 6.1 電控二甲醚發(fā)動機計算模型建立107-108
• 6.2 電控二甲醚發(fā)動機計算模型的驗證108-109
• 6.3 電控二甲醚發(fā)動機的缸內(nèi)過程分析109-119
• 6.3.1 二甲醚濃度場110-113
• 6.3.2 溫度場113-116
• 6.3.3 CO濃度場116-119
• 6.4 電控二甲醚發(fā)動機燃燒試驗119-122
• 6.4.1 試驗裝置及試驗方法119-120
• 6.4.2 發(fā)動機燃燒參數(shù)分析120-121
• 6.4.3 發(fā)動機排放分析121-122
• 6.5 本章小結(jié)122-123
• 第七章 全文總結(jié)和工作展望123-126
• 7.1. 全文總結(jié)123-124
• 7.2. 工作展望124-126
• 創(chuàng)新點說明126-127
• 參考文獻127-134
• 附錄A C++使用Chemkin接口函數(shù)初始化代碼134-137
• 附錄B 18步甲烷簡化機理137-138
• 附錄C 正庚烷239種準穩(wěn)態(tài)物質(zhì)138-140
• 附錄D 20步二甲醚簡化機理140-141
• 附錄E 117步正丙醇簡化機理141-144
• 附錄F 234步正庚烷簡化機理144-149
• 符號與縮寫149-153
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文153-155
• 致謝155-156

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