融合湍流燃燒信息實現燃料反應機理簡化的方法技術

一種融合湍流燃燒信息，實現燃料反應機理簡化的方法，所獲簡化機理應用于實際燃燒過程的分析或計算機數值模擬，解決目前反應機理建立全部基于層流燃燒的現狀。發明專利技術方法的特征在于：提出湍流燃燒脈動信息獲取方法。由于構筑簡化機理時，需要在燃燒場空間多點采樣，同時需要速度和標量的聯合數據，單靠實驗獲得如此大量信息非常困難，因此提出構建一維湍流ＯＤＴ的數值平臺，實驗測量數據作為輔助、以及模型驗證之用。提出融合湍流脈動信息的反應機理簡化實施方法。選取湍流燃燒關鍵控制參量－混合分數和標量耗散率類型變量，將它們作為燃燒時的“廣義組分”，提出簡化分析方法，從而獲得含渦事件信息的燃料簡化機理。在理論上，本發明專利技術解決了完備的湍流燃燒信息來源、以及如何融合湍流脈動信息的機理簡化方法兩個難題；在技術上，由于實際燃燒幾乎為湍流燃燒，本發明專利技術大大拓展了燃料反應機理的應用范圍，為燃燒分析奠定了基礎。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及融合湍流燃燒信息，實現燃料反應機理簡化的方法，所獲簡化機理應 用于實際燃燒過程的分析或計算機數值模擬。
技術介紹
燃燒是自然界和相關工業裝置中最為普遍的現象之一。燃燒可以采用化學反應 式來描述，如甲烷燃燒可表示為CH4+02 = C02+H20，這樣的表達方式稱為單步反應。國際上 燃燒化學與理論化學等等相關領域經過數十年研究，目前對于燃料反應機理的描述已相當 精細，幾乎考慮了所有可能的化學反應途徑，這樣的反應機理稱為燃料詳細機理，詳細機理 包含數百至數千個化學反應方程式、涉及數十至數百種物質。對于碳氫物質燃燒，國際上 已發展了許多機理，舉例來說針對低碳物質(C1-C3烷烴或不飽和烴)，目前國際上發展了 GRI-Mech機理、Konnov機理、Leeds機理等；美國Lawrence Livermore國家實驗室發展了 從低碳C1直到高碳物質C16的燃料詳細機理。燃燒是一個復雜的過程，為了理解和控制燃燒過程，目前國內外已大量采用計算 機，對燃燒過程進行分析或計算。理論分析或數值計算等需要燃料的化學反應機理，即燃料 的反應機理是燃燒分析和預測中最為重要的數據(或稱文件)之一。很明顯，采用單步反應 過于簡單，它不能反映實際燃燒過程，如甲烷燃燒一定會產生CO等物質，但前述的單步化 學反應式中并不包含CO等；但另一方面，詳細化學機理過于繁瑣。描述燃燒過程的詳細化 學機理包含太多的反應和組分，使得計算機分析時計算量太大，更為嚴重的是，詳細機理中 每個化學方程式的反應時間尺度差異很大，為10°秒至10,秒，時間尺度的巨大差異導致描 述燃燒過程的數學模型呈強烈剛性，剛性方程的求解很困難，同時更加劇了計算機資源的 消耗。舉例來說=Raman和Pitsch曾采用一個175步化學反應的甲烷機理，對一穩定火焰進 行了分析計算，在一個8-處理器600-MHZ計算機上的運行時間達到200小時以上?？梢?，為 了能夠進行燃燒過程的分析計算，需要規模適當的機理，但另一方面，反應機理的規模越來 越大，如，Konnov 0. 5版機理包含1207個反應、涉及127種物質；美國Lawrence Livermore 國家實驗室發展的正庚烷機理包括2540個反應、涉及557種物質；Gupta等研究出的甲烷 和天然氣機理包括6874個基元反應、涉及345種物質；美國標準技術局NIST收集整理了約 12000篇關于熱氣相化學反應的文獻，建立了反應機理數據庫，該數據庫包含了多于38000 個反應的參數。國際上公布的所有詳細機理包含冗余反應和組分，其原因主要有兩個一是 詳細機理的構筑傾向于包含附加的組分和反應，即使它們的重要性還不能確定；二是詳細 機理的測試范圍很廣，而機理實際使用時的參數范圍較為狹窄。使用詳細機理進行模擬時， 除了計算量極大外，從數值算法上來說，方程組剛性極大約束了數值方法的使用，使得問題 難于求解。簡化機理介于單步反應和詳細機理之間，同時它能夠描述燃燒過程最為重要的 化學途徑，因此，發展詳細機理簡化方法，具有十分重大的工程實際意義。國際上關于機理簡化方法的研究一直在持續，已發展的方法主要有敏感性分析法 和時間尺度分析法。敏感性分析法是一類較早發展起來的分析方法，目前一些著名燃燒分析模擬商業軟件，如CHEMKIN、RUNlDL和C0SILAB等都具有敏感性分析模塊，其使用較為簡 單，但敏感性分析的結果不能直接提供解耦信息，需要進行大量后處理工作，對研究和應用 者的經驗有較高要求。時間尺度分析法主要包括Maas和Pope發展的固有低維流形ILDM 以及Goussis和Lam等發展的計算奇異攝動CSP等，時間尺度分析法對反應機理中各化學 反應或物質進行時間尺度分析，從而將反應或物質分為快和慢兩類，通過對快反應或物質 進行去除或?；?、從而實現燃料機理簡化。眾所周知，實際和工程中的燃燒性質都為湍流燃燒過程，湍流對于燃燒具有重要 的影響，但是，目前國內外所有關于機理簡化的方法都基于層流燃燒，這樣構建的簡化機理 當然不適合實際的湍流燃燒分析和計算。能源、環境和安全等與湍流燃燒密切相關，考慮 湍流脈動的燃料簡化反應機理構建在理論上和應用上沒有得以實現，因而，能夠實現融合 湍流脈動信息的燃料機理簡化方法在科學研究、工業生產和安全控制等方面有著巨大的需 求。
技術實現思路
本專利技術提供一種融合湍流脈動信息實現燃料反應機理簡化的方法，其特征在于 (一)提出湍流燃饒脈動信息獲取方法。基于射流火焰實驗裝置，進行聯合的速度和標量 (溫度和組分濃度)測量。射流火焰發生器采用同向反應流噴嘴(coflow nozzle)結構， 供氣時控制氣體的溫度和流量。速度測量采用激光多普勒、三維粒子動態分析儀LDA/APV 和DPIV系統。溫度測量采用熱像儀和無接觸超聲波CT技術。燃燒組分的分析采用火焰離 子探針和在線氣相色譜_質譜儀GC-MS、結合Fourier紅外光譜FTIR成分分析。更為重要 的，構建渦事件(湍流脈動)融合的耦合燃料詳細反應機理的數值平臺，而選擇一維湍流 ODT模型是合適的，其原因是1)構筑簡化機理時，需要在耦合詳細機理的數值或實驗結果 空間內采樣，以獲得不同燃燒條件下的信息，采樣點越多、構筑的簡化機理的適應性越強， 單靠實驗獲得如此大量的信息是困難的，因此，需要構建相應的數值平臺；2)ODT能夠捕獲 精細尺度量，同時計算代價遠低于直接數值模擬DNS，ODT是一個自包含的模型，模型并不 依賴經驗參數，其對于流場的求解完全根據流場的瞬時狀態，因而，它能夠捕獲典型的湍流 現象如能量級串。由于ODT是一維模型，即使其計算尺度劃分到Kolm0g0r0v尺度，其計算 代價依然可以承受。對于ODT的計算時間，申請者曾對一耦合甲烷復雜化學(含279反應 和49組分)的射流火焰進行了 ODT模擬，Reynolds數為10000，計算網格數為1201，在雙核 高性能微機上的一輪模擬時間約為19小時。(二)提出融合湍流脈動信息的反應機理簡化 方法。控制湍流燃燒過程有一些關鍵量，如混合分數和標量耗散率等，在機理簡化時應考慮 這些參量，以反映湍流燃燒特征?；旌戏謹捣从沉巳剂吓c氧化劑的混合程度、控制了局域的 燃燒狀態(對于預混火焰為反應進度)，如在較高湍流Reynolds數Ret時，熱和組分分子擴 散差異對燃燒的影響通常為二階，當描述火焰結構的主要特性時可忽略這種影響，這時混 合分數為燃燒的主要控制因素。我們曾對乙烯C2H4穩態擴散火焰進行分析和計算，發現CO2 和混合分數已可完全表述該類火焰，而當增加非穩態因素時，計算結果發生整體相位偏移， 而再增加標量耗散率，則可消除相位誤差。為更加具體地描述渦事件(湍流脈動)融合時 的簡化過程，以敏感性分析為例，目前的敏感性分析僅考察某組分(或某反應)的變化對其 它組分的影響程度，從而確定冗余組分或反應，本申請方法將混合分數作為一種所謂“廣義4組分”納入分析之中，類推地，如再增加標量耗散率類變量的分析方法將更為全面和恰當。 由于在分析中融入了渦事件信息，所建機理預測結果將更加接近實際的燃燒過程。融合湍流脈動信息的反應機理簡化方法的數學方程描述，設YF、Y0分別為燃料和氧化劑質量分數，β為氧化劑_燃料當量比(即單位氧化 劑可以本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種融合湍流燃燒信息實現燃料反應機理簡化的方法。解決了湍流燃燒信息獲取方法難題，提出了由一維湍流ＯＤＴ數值結果獲取渦事件信息的方法。由于構筑簡化機理時，為使簡化反應機理的適應面較廣，需要在燃燒場空間中的多點進行采樣，同時需要速度、溫度和組分濃度的聯合數據，這里涉及的組分達數十種直至數百種，很明顯，單靠實驗獲得如此大量和完備的數據是不可能的，我們提出構建ＯＤＴ的數值平臺，而實驗測量數據作為輔助、以及模型驗證之用。ＯＤＴ能夠耦合燃料的詳細化學反應機理，能夠捕獲精細尺度量，同時計算代價遠低于直接數值模擬ＤＮＳ，ＯＤＴ是一個自包含的模型，模型不依賴經驗參數，其對于流場的求解完全根據流場的瞬時狀態，因而，它能夠捕獲典型的湍流現象如能量級串。由于ＯＤＴ是一維模型，即使其計算尺度劃分到Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ尺度，其計算代價依然可以承受。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣勇，邱榕，張和平，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：34