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《重庆大学》 2016年
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燃料燃烧反应动力学机理高效简化方法研究

王卫  
【摘要】:随着计算机技术的不断发展,数值模拟作为对传统实验研究的补充甚至替代的研究方法,在燃烧研究领域扮演着越来越重要的角色。近年来,由于日益严峻的能源与环境问题,以及人们对认识详细燃烧过程的迫切需要,基于燃烧动力学机理的精细燃烧反应流数值计算受到了广泛关注并得到迅速发展,其在计算火焰传播速度、着火延迟时间、污染物生成等燃烧特征方面显示出了巨大的优势与潜力,为探索高效、清洁的燃烧方式以及寻求新型的替代燃料等提供了可靠的理论和数据支持。然而,若在燃烧反应流模拟中直接采用包含成百上千个组分和数千甚至上万种基元反应的详细反应机理,常常需要庞大的计算机资源和难以承受的计算时间。因此,对详细燃烧反应机理进行合理简化,已成为基于动力学机理的反应流数值计算的重要前提之一。精细的燃烧反应流模拟急需精确、高效的机理简化方法。本文在分析总结既有研究成果的基础上,提出了新型、高效的燃烧机理简化方法,并通过对典型燃料燃烧机理的简化及其在反应流模拟中的应用,测试了新方法的精确性和适用性。主要的工作内容及成果如下:(1)在路径通量分析机理简化方法PFA的基础上,充分考虑组分间的间接耦合关系,提出了多代路径通量分析简化方法MPFA。通过对甲烷、正庚烷、癸酸甲酯等典型燃料燃烧反应机理的简化及模拟结果的对比分析,证明了考虑多代间接相关性的MPFA方法相对于PFA方法的优势。同时,研究了在PFA系列方法中,所考虑的组分间关系代数与所得简化机理的精度、简化所需计算时间之间的关系。分析结果表明,三代PFA方法较二代PFA方法有较大优势,但考虑组分间更多代间接相关性不仅简化机理精度提高较少,且会导致简化过程的计算量急剧增大。(2)针对PFA与MPFA方法在定义组分间关系系数时物理意义模糊,导致组分生成通量份额与消耗通量份额计算不合理等问题,对关系系数的定义式进行了改进,并提出了改进型多代路径通量分析简化方法IMPFA。通过与PFA及MPFA方法的比较,证明了IMPFA方法能够更加合理地计算组分间的直接与间接耦合关系。在选择代数相同的情况下,IMPFA的简化效果明显优于MPFA方法。(3)考虑到以组分相关性为基础的MPFA方法难以直接反映各组分或基元反应对机理某具体特性参数的影响,从而导致简化机理可能包含过多冗余组分和基元反应的问题,提出了耦合MPFA与敏感性分析方法SA的新型机理简化方法MPFASA。MPFASA方法综合了MPFA的快速性与SA可直接考虑组分或基元反应对机理特征参数的影响等优点,有效地提高了机理简化的效率。通过对甲烷、正庚烷化学反应机理的简化,证明了通过MPFASA方法可获得在保证模拟精度的前提下,更为简化的燃烧动力学机理。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK16

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