專利名稱：融合湍流燃燒信息實現(xiàn)燃料反應(yīng)機理簡化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及融合湍流燃燒信息，實現(xiàn)燃料反應(yīng)機理簡化的方法，所獲簡化機理應(yīng) 用于實際燃燒過程的分析或計算機數(shù)值模擬。
背景技術(shù)：
燃燒是自然界和相關(guān)工業(yè)裝置中最為普遍的現(xiàn)象之一。燃燒可以采用化學(xué)反應(yīng) 式來描述，如甲烷燃燒可表示為CH4+02 = C02+H20，這樣的表達(dá)方式稱為單步反應(yīng)。國際上 燃燒化學(xué)與理論化學(xué)等等相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)過數(shù)十年研究，目前對于燃料反應(yīng)機理的描述已相當(dāng) 精細(xì)，幾乎考慮了所有可能的化學(xué)反應(yīng)途徑，這樣的反應(yīng)機理稱為燃料詳細(xì)機理，詳細(xì)機理 包含數(shù)百至數(shù)千個化學(xué)反應(yīng)方程式、涉及數(shù)十至數(shù)百種物質(zhì)。對于碳?xì)湮镔|(zhì)燃燒，國際上 已發(fā)展了許多機理，舉例來說針對低碳物質(zhì)(C1-C3烷烴或不飽和烴)，目前國際上發(fā)展了 GRI-Mech機理、Konnov機理、Leeds機理等；美國Lawrence Livermore國家實驗室發(fā)展了 從低碳C1直到高碳物質(zhì)C16的燃料詳細(xì)機理。燃燒是一個復(fù)雜的過程，為了理解和控制燃燒過程，目前國內(nèi)外已大量采用計算 機，對燃燒過程進(jìn)行分析或計算。理論分析或數(shù)值計算等需要燃料的化學(xué)反應(yīng)機理，即燃料 的反應(yīng)機理是燃燒分析和預(yù)測中最為重要的數(shù)據(jù)(或稱文件)之一。很明顯，采用單步反應(yīng) 過于簡單，它不能反映實際燃燒過程，如甲烷燃燒一定會產(chǎn)生CO等物質(zhì)，但前述的單步化 學(xué)反應(yīng)式中并不包含CO等；但另一方面，詳細(xì)化學(xué)機理過于繁瑣。描述燃燒過程的詳細(xì)化 學(xué)機理包含太多的反應(yīng)和組分，使得計算機分析時計算量太大，更為嚴(yán)重的是，詳細(xì)機理中 每個化學(xué)方程式的反應(yīng)時間尺度差異很大，為10°秒至10,秒，時間尺度的巨大差異導(dǎo)致描 述燃燒過程的數(shù)學(xué)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(xué)反應(yīng)的甲烷機理，對一穩(wěn)定火焰進(jìn) 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(dá)到200小時以上?？梢姡瑸?了能夠進(jìn)行燃燒過程的分析計算，需要規(guī)模適當(dāng)?shù)臋C理，但另一方面，反應(yīng)機理的規(guī)模越來 越大，如，Konnov 0. 5版機理包含1207個反應(yīng)、涉及127種物質(zhì)；美國Lawrence Livermore 國家實驗室發(fā)展的正庚烷機理包括2540個反應(yīng)、涉及557種物質(zhì)；Gupta等研究出的甲烷 和天然氣機理包括6874個基元反應(yīng)、涉及345種物質(zhì)；美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局NIST收集整理了約 12000篇關(guān)于熱氣相化學(xué)反應(yīng)的文獻(xiàn)，建立了反應(yīng)機理數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了多于38000 個反應(yīng)的參數(shù)。國際上公布的所有詳細(xì)機理包含冗余反應(yīng)和組分，其原因主要有兩個一是 詳細(xì)機理的構(gòu)筑傾向于包含附加的組分和反應(yīng)，即使它們的重要性還不能確定；二是詳細(xì) 機理的測試范圍很廣，而機理實際使用時的參數(shù)范圍較為狹窄。使用詳細(xì)機理進(jìn)行模擬時， 除了計算量極大外，從數(shù)值算法上來說，方程組剛性極大約束了數(shù)值方法的使用，使得問題 難于求解。簡化機理介于單步反應(yīng)和詳細(xì)機理之間，同時它能夠描述燃燒過程最為重要的 化學(xué)途徑，因此，發(fā)展詳細(xì)機理簡化方法，具有十分重大的工程實際意義。國際上關(guān)于機理簡化方法的研究一直在持續(xù)，已發(fā)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(fā)展起來的分析方法，目前一些著名燃燒分析模擬商業(yè)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(jié)果不能直接提供解耦信息，需要進(jìn)行大量后處理工作，對研究和應(yīng)用 者的經(jīng)驗有較高要求。時間尺度分析法主要包括Maas和Pope發(fā)展的固有低維流形ILDM 以及Goussis和Lam等發(fā)展的計算奇異攝動CSP等，時間尺度分析法對反應(yīng)機理中各化學(xué) 反應(yīng)或物質(zhì)進(jìn)行時間尺度分析，從而將反應(yīng)或物質(zhì)分為快和慢兩類，通過對快反應(yīng)或物質(zhì) 進(jìn)行去除或?；亩鴮崿F(xiàn)燃料機理簡化。眾所周知，實際和工程中的燃燒性質(zhì)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(nèi)外所有關(guān)于機理簡化的方法都基于層流燃燒，這樣構(gòu)建的簡化機理 當(dāng)然不適合實際的湍流燃燒分析和計算。能源、環(huán)境和安全等與湍流燃燒密切相關(guān)，考慮 湍流脈動的燃料簡化反應(yīng)機理構(gòu)建在理論上和應(yīng)用上沒有得以實現(xiàn)，因而，能夠?qū)崿F(xiàn)融合 湍流脈動信息的燃料機理簡化方法在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和安全控制等方面有著巨大的需 求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種融合湍流脈動信息實現(xiàn)燃料反應(yīng)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?；谏淞骰鹧鎸嶒炑b置，進(jìn)行聯(lián)合的速度和標(biāo)量 (溫度和組分濃度)測量。射流火焰發(fā)生器采用同向反應(yīng)流噴嘴(coflow nozzle)結(jié)構(gòu)， 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(tài)分析儀LDA/APV 和DPIV系統(tǒng)。溫度測量采用熱像儀和無接觸超聲波CT技術(shù)。燃燒組分的分析采用火焰離 子探針和在線氣相色譜_質(zhì)譜儀GC-MS、結(jié)合Fourier紅外光譜FTIR成分分析。更為重要 的，構(gòu)建渦事件(湍流脈動)融合的耦合燃料詳細(xì)反應(yīng)機理的數(shù)值平臺，而選擇一維湍流 ODT模型是合適的，其原因是1)構(gòu)筑簡化機理時，需要在耦合詳細(xì)機理的數(shù)值或?qū)嶒灲Y(jié)果 空間內(nèi)采樣，以獲得不同燃燒條件下的信息，采樣點越多、構(gòu)筑的簡化機理的適應(yīng)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(gòu)建相應(yīng)的數(shù)值平臺；2)ODT能夠捕獲 精細(xì)尺度量，同時計算代價遠(yuǎn)低于直接數(shù)值模擬DNS，ODT是一個自包含的模型，模型并不 依賴經(jīng)驗參數(shù)，其對于流場的求解完全根據(jù)流場的瞬時狀態(tài)，因而，它能夠捕獲典型的湍流 現(xiàn)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(fù)雜化學(xué)(含279反應(yīng) 和49組分)的射流火焰進(jìn)行了 ODT模擬，Reynolds數(shù)為10000，計算網(wǎng)格數(shù)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(yīng)機理簡化 方法?？刂仆牧魅紵^程有一些關(guān)鍵量，如混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率等，在機理簡化時應(yīng)考慮 這些參量，以反映湍流燃燒特征?；旌戏?jǐn)?shù)反映了燃料與氧化劑的混合程度、控制了局域的 燃燒狀態(tài)(對于預(yù)混火焰為反應(yīng)進(jìn)度)，如在較高湍流Reynolds數(shù)Ret時，熱和組分分子擴(kuò) 散差異對燃燒的影響通常為二階，當(dāng)描述火焰結(jié)構(gòu)的主要特性時可忽略這種影響，這時混 合分?jǐn)?shù)為燃燒的主要控制因素。我們曾對乙烯C2H4穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散火焰進(jìn)行分析和計算，發(fā)現(xiàn)CO2 和混合分?jǐn)?shù)已可完全表述該類火焰，而當(dāng)增加非穩(wěn)態(tài)因素時，計算結(jié)果發(fā)生整體相位偏移， 而再增加標(biāo)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(yīng))的變化對其 它組分的影響程度，從而確定冗余組分或反應(yīng)，本申請方法將混合分?jǐn)?shù)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(biāo)量耗散率類變量的分析方法將更為全面和恰當(dāng)。 由于在分析中融入了渦事件信息，所建機理預(yù)測結(jié)果將更加接近實際的燃燒過程。融合湍流脈動信息的反應(yīng)機理簡化方法的數(shù)學(xué)方程描述，設(shè)YF、Y0分別為燃料和氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，β為氧化劑_燃料當(dāng)量比(即單位氧化 劑可以消耗β份燃料)，引入轉(zhuǎn)換X = YF-Y0/ β，混合分?jǐn)?shù)f定義為， 其中，XpX2分別表示相應(yīng)于燃料側(cè)和氧側(cè)的X值。標(biāo)量耗散率X定義為， 其中，Jki為正規(guī)化Jacobian矩陣，表示燃燒組分k濃度的攝動所導(dǎo)致的另一組分 j的變化，其物理意義為組分k對組分j的影響大小。需要特別說明的是這里的組分j不 僅表示燃燒涉及的組分，也包括混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率，正如前面所說的，我們將混合分?jǐn)?shù) 和標(biāo)量耗散率作為“廣義組分”。設(shè)定一個較小的實數(shù)ε (如ε = 0.0001)，若(Jkj)2大于ε，則認(rèn)為k組分較為 重要，應(yīng)當(dāng)保留在原詳細(xì)反應(yīng)機理中；若(Jkj)2小于ε，則認(rèn)為k組分不重要，可將k組分和 其對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)從原詳細(xì)反應(yīng)機理中去除，從而實現(xiàn)詳細(xì)反應(yīng)機理簡化。與目前現(xiàn)有的方法、技術(shù)相比，本發(fā)明有二個主要突出特點1提出的方法具有通用的研究和應(yīng)用價值，表現(xiàn)在兩個方面⑴控制湍流火焰關(guān) 鍵量的選取具有針對性?，F(xiàn)有的簡化方法全部針對層流火焰，獲得的簡化反應(yīng)機理適用于 層流火焰、不適合湍流火焰，由于本發(fā)明考慮了控制湍流火焰的關(guān)鍵量，所獲簡化反應(yīng)機理 可適用于湍流火焰?？筛鶕?jù)分析和模擬需要選取控制湍流火焰的關(guān)鍵量如果僅關(guān)心湍流 火焰的宏觀特性，則僅選取混合分?jǐn)?shù)即可；如果還關(guān)心熄火、重燃和污染物排放特性，則可 選取混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率；若希望分析一些特殊火行為，還可加上反應(yīng)進(jìn)度關(guān)鍵量。需要 說明的是，選取好控制湍流火焰的關(guān)鍵量后而獲得的簡化反應(yīng)機理，可以適用于該類型的 所有湍流火焰的分析和模擬；(2)簡化方式的選取具有靈活性。上述融合湍流脈動信息的 反應(yīng)機理簡化方法采用了 Jacobian矩陣技術(shù)，很明顯，采用組分生成速率比值代替上述的 Jkj、或?qū)⒒旌戏謹(jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率作為流形維等方式也可以，這使得本發(fā)明的方法具有指導(dǎo)
眉、ο2.解決了湍流燃燒信息獲取方法難題。反應(yīng)機理簡化需要完備的燃燒場數(shù)據(jù)和信 息，如此大量的數(shù)據(jù)和信息單靠實驗是很難實現(xiàn)的，目前國內(nèi)外沒有涉及融合湍流信息的 燃料化學(xué)機理簡化，我們認(rèn)為一個很大困難在于無法獲得詳盡可靠的湍流燃燒場信息。由 于直接數(shù)值模擬DNS的計算量太大，耦合燃料詳細(xì)化學(xué)機理的DNS目前無法實現(xiàn)，由于硬件 的限制其也不具推廣價值。申請人實現(xiàn)一維湍流ODT方法，通過理論分析和與國際標(biāo)準(zhǔn)實 驗數(shù)據(jù)的大量比對，證實采用ODT獲取湍流燃燒信息可解決這一難題。


圖1為本發(fā)明的原理圖
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施方式做進(jìn)一步詳述第一步基于射流火焰燃燒器，供氣時控制氣體的溫度和流量，實驗測量速度和標(biāo) 量數(shù)據(jù)。這些實驗數(shù)據(jù)并不完全作為湍流燃燒信息來源，而主要作為模型和方法驗證的數(shù) 據(jù)來源。第二步構(gòu)建一維湍流ODT數(shù)值平臺。改變Reynolds數(shù)和Lewis數(shù)等刻化燃燒系 統(tǒng)的無量綱數(shù)，計算獲得耦合詳細(xì)機理的湍流反應(yīng)流完備數(shù)據(jù)。第三步采樣。選擇一些特征點作為數(shù)據(jù)分析點，如高溫、低溫、等當(dāng)量比燃燒、富 油、稀薄燃燒等，再設(shè)計一個積分算法，遍歷整個區(qū)域。第四步融合渦事件的簡化機理構(gòu)筑。選取控制湍流燃燒過程的關(guān)鍵量(如混合 分?jǐn)?shù)、標(biāo)量耗散率類型變量)，將它們作為“廣義組分”，分析它們的變化。選擇什么類型或 多少“廣義組分”，取決于簡化機理的用途，對于高Reynolds數(shù)燃燒，選取混合分?jǐn)?shù)往往已 足夠；當(dāng)研究熄火和重燃時，可選取混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率二個參數(shù)。簡化機理構(gòu)筑時一 般需要計算某一組分的攝動會引起混合分?jǐn)?shù)多大的變化，采用矩陣分析可能會歸于失敗， 原因在于混合分?jǐn)?shù)一般是系統(tǒng)某些組分的線性組合，另外，標(biāo)量耗散率類型變量的增量當(dāng) 然可以按其定義和輸運方程獲得，但目前發(fā)展的標(biāo)量耗散率模型大多針對理想狀態(tài)，如高 Damkehler數(shù)和均勻Lewis數(shù)等。為解決這些困難，這些湍流關(guān)鍵量可以從ODT結(jié)果中獲得。第五步構(gòu)筑反應(yīng)機理的可靠性分析和驗證。耦合構(gòu)筑的反應(yīng)機理，對湍流燃燒進(jìn) 行分析和計算，將其結(jié)果與實驗和耦合詳細(xì)機理的結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)行可靠性分析和驗證。
權(quán)利要求
一種融合湍流燃燒信息實現(xiàn)燃料反應(yīng)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(shù)值結(jié)果獲取渦事件信息的方法。由于構(gòu)筑簡化機理時，為使簡化反應(yīng)機理的適應(yīng)面較廣，需要在燃燒場空間中的多點進(jìn)行采樣，同時需要速度、溫度和組分濃度的聯(lián)合數(shù)據(jù)，這里涉及的組分達(dá)數(shù)十種直至數(shù)百種，很明顯，單靠實驗獲得如此大量和完備的數(shù)據(jù)是不可能的，我們提出構(gòu)建ODT的數(shù)值平臺，而實驗測量數(shù)據(jù)作為輔助、以及模型驗證之用。ODT能夠耦合燃料的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理，能夠捕獲精細(xì)尺度量，同時計算代價遠(yuǎn)低于直接數(shù)值模擬DNS，ODT是一個自包含的模型，模型不依賴經(jīng)驗參數(shù)，其對于流場的求解完全根據(jù)流場的瞬時狀態(tài)，因而，它能夠捕獲典型的湍流現(xiàn)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。
2.融合湍流脈動信息的反應(yīng)機理簡化實施方法。選取湍流燃燒關(guān)鍵控制參量_混合分 數(shù)和標(biāo)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，即組分濃 度攝動的Jacobian分析法、以及將混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率作為流形維的方式。這樣獲得的 燃料簡化機理包含了渦事件信息，大大拓展了燃料反應(yīng)機理的應(yīng)用范圍。
全文摘要
一種融合湍流燃燒信息，實現(xiàn)燃料反應(yīng)機理簡化的方法，所獲簡化機理應(yīng)用于實際燃燒過程的分析或計算機數(shù)值模擬，解決目前反應(yīng)機理建立全部基于層流燃燒的現(xiàn)狀。發(fā)明方法的特征在于提出湍流燃燒脈動信息獲取方法。由于構(gòu)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(biāo)量的聯(lián)合數(shù)據(jù)，單靠實驗獲得如此大量信息非常困難，因此提出構(gòu)建一維湍流ODT的數(shù)值平臺，實驗測量數(shù)據(jù)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(yīng)機理簡化實施方法。選取湍流燃燒關(guān)鍵控制參量-混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)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(fā)明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(shù)上，由于實際燃燒幾乎為湍流燃燒，本發(fā)明大大拓展了燃料反應(yīng)機理的應(yīng)用范圍，為燃燒分析奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號F23N5/00GK101900349SQ20101018948
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者張和平, 蔣勇, 邱榕 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)