[发明专利]一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧过程的计算机模拟技术，尤其涉及的是一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法。

背景技术

燃烧提供了目前世界上超过80％的能源供应，在交通、工业和国防等核心领域发挥着不可替代的作用。随着对能源需求的迅速增长，传统化石能源不仅面临消耗殆尽的压力，而且带来了严重的环境和生态问题。如何实现燃料的高效清洁燃烧已经成为包括我国在内的世界各国面临的重大问题。燃料燃烧是流动、传热、传质和化学反应等多种物理和化学过程相互耦合的复杂体系。其中，化学动力学是燃烧的核心环节，在点火、火焰传播、污染物排放和燃烧室设计等关键问题中发挥着重要作用。发展并应用燃料燃烧的详细反应机理研究发动机燃烧室内的复杂燃烧过程等是提高发动机效率、降低污染的必然要求。详细燃烧反应机理通常包含数百个物种和上千步基元反应，复杂的化学机理除了使计算量大得难以承受外，机理中各种物种和反应涉及的特征时间尺度差异巨大，使得研究和计算的对象变为极强的刚性系统，在计算理论上也带来了巨大难题。因此，在不牺牲详细机理模拟精度的前提下，对详细机理进行简化和优化是实现化学反应和流体力学耦合计算，用于燃烧室设计等研究的基础。

国际上不断发展和利用数学方法来分析燃烧化学反应体系和简化详细机理，使机理简化不再依赖化学动力学专业背景和经验知识。机理简化方法可以分为两类：一类是骨架简化，即从详细机理中直接删除不重要的物种和反应；另一类是时间尺度简化，通过分析物种和反应的时间尺度进行简化。骨架机理简化是实现详细燃烧机理与流体力学耦合计算的第一步，尤其是针对大分子燃料的燃烧机理。因此，骨架简化方法的开发是目前研究的热点。需要值得注意的是，骨架简化机理除了需要再现详细机理的模拟结果和精度外，还需要保持合理的化学意义，否则基于简化机理进行的任何模拟都是没有意义的。

目前，以直接关系图方法为基础的骨架简化方法是骨架简化的常用方法。直接关系图方法是基于图论的思想，考虑详细机理中物种之间的复杂耦合关系，删除详细机理中不重要的物种和对应的反应。该方法的基本思路是如果详细机理中某物种B的去除将导致物种A的生成或消耗产生较大误差，则对于A物种来说，B物种是重要的。为了定量描述物种B对物种A的影响，需要定义定量的关系式描述这一现象。2005年，Lu和Law定义了一个最简单的关系式描述物种B对物种A的影响，即通过计算不同反应时刻B物种对物种A的净生成速率的贡献来描述。尽管上述简化方法在详细燃烧机理的骨架简化得到了广泛的应用，但是目前的骨架简化方法均没有考虑获得的骨架机理的化学合理性和可靠性，骨架机理一般通过对燃烧性质的模拟结果来进行验证。

为了解决上述问题，本发明提出了采用基于燃烧化学反应路径分析使用的元素流量分析与误差传播结合的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，该方法可以有效地在获得的骨架机理中保留详细燃烧化学反应机理的化学反应路径，得到模拟结果更为可靠的骨架机理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服了现有详细燃烧化学反应机理骨架简化方法不能有效考虑化学合理性和可靠性的不足，提出了一种基于元素流量分析和误差传播结合的详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法。

本发明的技术方案为：

一种详细燃烧化学反应机理骨架简化的方法，包括以下四个步骤：

步骤(1)：预模拟阶段，用详细燃烧反应机理模拟燃料的燃烧性质，对模拟结果进行数据抽样，获得典型燃烧条件下物种浓度随温度、压力、时间或空间的变化信息；

步骤(2)：选择燃烧机理中的重要物种，设定一个在0到1之间的阈值，用元素流量分析结合误差传播的方法计算其他物种对重要物种的贡献，并与设定的阈值比较，删除详细机理中对重要物种贡献小于设定的阈值的物种及其对应的化学反应，获得对应的骨架机理；采用如下公式分析获得其他物种对重要物种的贡献：

r_AB代表B物种对A物种生成或消耗的贡献，I和K代表详细机理包含的总的反应数目和物种数目，Element_A→B表示元素Element从物质A流动到B的流量，ω_i表示反应i的净反应速率，N_Element，A，N_Element，B，和N_Element，i分别为物种A，B和反应i中元素Element的数目；对于有多个反应路径的物种之间的耦合，则采用考虑误差传播影响的方法，计算物种之间的耦合系数，对于物种E对A的影响，用如下公式获得r_AE：