基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法技术

本发明专利技术是基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法。根据详细反应机理模型对PSR零维均质燃烧器内燃料燃烧过程进行模拟，获得设定条件下的产物浓度、温度变化情况和点火延迟时间的特征参数，采用GDRG方法选择强耦合的组分，通过FAST方法，基于速率不确定性条件下，对燃烧反应机理进行全局敏感性分析，利用最小二乘法对燃烧反应机理速率系数进行优化，使得简化机理精准预测燃烧特性参数，最后应用优化算法对模型进行优化。本发明专利技术在保证反应机理完整可靠的前提下，大幅降低数值计算所需的时间。

A Simplified Method of Combustion Reaction Mechanism Based on Rate Uncertainty

【技术实现步骤摘要】
基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法
本专利技术涉及燃烧过程的计算机模拟
，是一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法。
技术介绍
燃料的燃烧为生产和生活中的大多数设备提供动力，碳氢燃料的燃烧在其中所占比例超过60％。随着化石能源的逐渐枯竭与环保要求的日益提高，如何提高燃料的燃烧效率和降低燃烧产生的污染已经成为燃烧领域的当务之急。燃料的燃烧涉及流动，传热与化学反应等多场的耦合，是一个极为复杂的过程。计算机技术的提高为解决燃料燃烧的模拟提供了可能，尤其在燃烧器的设计，燃烧过程的组织以及污染物的控制方面，数值计算所扮演的角色越来越重要。燃料的燃烧过程中涉及到成百上千中间产物与基元反应，数量如此庞大的过程使得整个计算过程的收敛速度极为缓慢，甚至出现不收敛的情况。因此，在计算精度满足要求的情况下，对于某些含量低于设定阈值的中间产物和基元反应则可忽略不计，使得反应的计算过程得到简化，计算时间大大降低。因此，碳氢燃料的燃烧机理的简化成为燃烧领域的重要研究方向。现阶段，燃烧的机理简化方法主要有两大类：第一种类型则是减少基元反应的数量进行，如SA和PCA方法等，第二类方法则是减少反应动力学模型中的组分，如DRG，PFA和DRGEP等。在反应动力学模型较大的情况下，两种方法一般相互配合使用，即第一阶段先通过筛选组分的方法对模型进行简化，第二阶段则通过与其他手段对冗余的化学反应进行删减，最后达到机理简化的目的。在此处需要注意，无论是基元反应的删减还是中间产物的删减，均需要遵循一定的反应规律，最终得到的简化的反应机理亦是合乎反应规律的。上述燃烧机理简化的方法虽然可以大幅燃烧反应的机理，但是对于数值计算而言，其简化得到的结果仍然存在两点不足：其一，上述方法得到的简化机理对于特殊情况下，尤其是在发动机中的燃烧情况的适用性并不理想，特别是在大组分的机理应用条件下，其效果较差。其二则是上述反应机理简化的方法均未考虑反映速率系数的不确定性对机理的影响，可能导致不重要的组分和基元反应被强化，而重要的组分和基元反应被弱化。该种情况会严重影响表征燃料燃烧过程中重要的基元反应和主要的反应路径，而且机理简化的幅度越大，则机理的不确定性越高
技术实现思路
本专利技术为解决现有问题，提供了一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化方法，包括以下步骤：步骤一：根据详细反应机理模型对PSR零维均质燃烧器内燃料燃烧过程进行模拟，获得设定条件下的产物浓度、温度变化情况和点火延迟时间的特征参数；步骤二：通过GDRG法对1000个燃烧机理模型进行简化，对所述详细反应机理模型中的非强耦合的组合进行删除；步骤三：通过FAST方法，在速率不确定性条件下，对燃烧反应机理进行全局敏感性分析，根据FAST方法所得到的各基元反应的敏感性系数，设定敏感系数阈值对基元反应进行删减；步骤四：利用最小二乘法对燃烧反应机理速率系数进行优化，使得简化机理精准预测燃烧特性参数；步骤五：通过与燃烧详细反应机理模型对比，将所获得的机理进行数值计算后的到点火延迟时间与燃烧详细反应机理的到的点火延迟时间对比,当误差在要求范围内，则不需调整，当误差大于要求，则对设定的敏感系数阈值进行调整。优选地，所述步骤二具体为：第一步：通过GDRG方法，利用概率的方式统计非耦合组分的概率；第二步：在不确定性速率系数的参数空间内均匀采样1000个样本点；第三步：应用DRG方法对1000个燃烧机理模型进行简化，对模型中的非耦合的组合进行删除。优选地，所述步骤三具体为：第一步：通过FAST方法，以扰动基元反应的方式测得各基元反应的全局敏感性系数，；第二步：设定敏感性系数阈值，将所述阈值以下的基元反应进行删减；第三步：通过下式获得基元反应的全局敏感性系数：其中，yi为第i出口的参数(如浓度、温度等)；Ns为对曲线进行取样的分割点数，其中采样点在曲线上按sk＝2kπ/Ns，k＝1,2,3…Ns进行采样；是第i出口参数的傅里叶系数。优选地，采用傅里叶系数代表敏感性系数。优选地，所述步骤四具体为：第一步：利用最小乘法对目标函数进行优化，使得速率系数的函数ft(Ai,βi,Ei)趋于0；第二步：通过下式计算得到相应合适的速率系数参数Ai,βi,Ei：其中，Ai，βi,Ei为燃烧反应过程中的指前因子，无量纲参数和反应活化能；Yk,D和TD分别表示通过详细机理得到的出口质量分数和温度；和分别表示通过PSR方程计算得到的在t＝τ时刻反应器出口处的浓度等参数和温度；第三步：通过下式建立PSR方程：其中，Wk为第k个组分的摩尔质量(g/mol)，ωk为第k个组分的摩尔产率，ρ为密度，hk,i和hk,o分别表示低k个组分进出口处的焓值，k＝1,2...K。优选地，在燃烧反应机理模型简化过程中，敏感性系数阈值大小根据简化后的模型适用范围的宽窄进行调整。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术基于速率不确定性条件下对碳氢燃料的燃烧机理进行简化，能够避免传统方法在简化过程中出现不精确地删除组分的现象。通过GDRG方法对详细机理模型中的组分进行甄别，获得强耦合的组分，使得非强耦合的组分在宽范围阈值内均可以进行删减，使模型得到的简化。通过FAST方法进行间接扰动获得基元反应的全局性敏感性分析，并与GDRG方法相结合，可以最大程度的削减反应中组分的数量。通过FAST方法对基元反应进行删减之后，使得简化模型中的基元反应的数量减少，模型进一步简化。通过最小二乘法对筛选出的基元反应中的反映速率系数进行合理的优化，使得简化模型的结果与详细机理模型的结果之间的误差尽量减小。本专利技术可以在机理模型的简化过程中进行调整，最大程度的保证模型的可靠性与准确性。数值模拟结果所表征的与燃烧性质相关的参数主要为点火延迟时间，反应器内的产物浓度分布与变化等。详细机理模型当中的采样数据为上述计算过程提供依据，在误差允许范围内，亦可将采样数据增多或减少，以提供更加合适的点火延迟时间、产物分布与变化等典型燃烧特征参数。附图说明图1是基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法的流程图。图2是反应中组分通过基元反应进行耦合的示意图。图3是利用本专利技术所得到的甲烷燃烧机理模型进行计算得到的宽范围下点火延迟时间与文献的对比结果。图4是利用本专利技术所得到的甲烷燃烧机理模型进行计算得到的窄范围下点火延迟时间与文献的对比结果。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。具体实施例一：根据图1所示，本专利技术提供一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，包括以下步骤：步骤一：根据详细反应机理模型对PSR零维均质燃烧器内燃料燃烧过程进行模拟，获得设定条件下的产物浓度、温度变化情况和点火延迟时间的特征参数；步骤二：通过GDRG法对1000个燃烧机理模型进行简化，对所述详细反应机理模型中的非强耦合的组合进行删除；步骤三：通过FAST方法，在速率不确定性条件下，对燃烧反应机理进行全局敏感性分析，根据FAST方法所得到的各基元反应的敏感性系数，设定敏感系数阈值对基元反应进行删减；步骤四：利用最小二乘法对燃烧反应机理速率系数进行优化，使得简化机理精准预测燃烧特性参数；步骤五：通过与燃烧详细反应机理模型对比，将所获得的机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：根据详细反应机理模型对PSR零维均质燃烧器内燃料燃烧过程进行模拟，获得设定条件下的产物浓度、温度变化情况和点火延迟时间的特征参数；步骤二：通过GDRG法对1000个燃烧机理模型进行简化，对所述详细反应机理模型中的非强耦合的组合进行删除；步骤三：通过FAST方法，在速率不确定性条件下，对燃烧反应机理进行全局敏感性分析，根据FAST方法所得到的各基元反应的敏感性系数，设定敏感系数阈值对基元反应进行删减；步骤四：利用最小二乘法对燃烧反应机理速率系数进行优化，使得简化机理精准预测燃烧特性参数；步骤五：通过与燃烧详细反应机理模型对比，将所获得的机理进行数值计算后的到点火延迟时间与燃烧详细反应机理的到的点火延迟时间对比,当误差在要求范围内，则不需调整，当误差大于要求，则对设定的敏感系数阈值进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：根据详细反应机理模型对PSR零维均质燃烧器内燃料燃烧过程进行模拟，获得设定条件下的产物浓度、温度变化情况和点火延迟时间的特征参数；步骤二：通过GDRG法对1000个燃烧机理模型进行简化，对所述详细反应机理模型中的非强耦合的组合进行删除；步骤三：通过FAST方法，在速率不确定性条件下，对燃烧反应机理进行全局敏感性分析，根据FAST方法所得到的各基元反应的敏感性系数，设定敏感系数阈值对基元反应进行删减；步骤四：利用最小二乘法对燃烧反应机理速率系数进行优化，使得简化机理精准预测燃烧特性参数；步骤五：通过与燃烧详细反应机理模型对比，将所获得的机理进行数值计算后的到点火延迟时间与燃烧详细反应机理的到的点火延迟时间对比,当误差在要求范围内，则不需调整，当误差大于要求，则对设定的敏感系数阈值进行调整。2.根据权利要求1所述的一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，其特征是：所述步骤二具体为：第一步：通过GDRG方法，利用概率的方式统计非耦合组分的概率；第二步：在不确定性速率系数的参数空间内均匀采样1000个样本点；第三步：应用DRG方法对1000个燃烧机理模型进行简化，对模型中的非耦合的组合进行删除。3.根据权利要求1所述的一种基于速率不确定性下的燃烧反应机理简化的方法，其特征是：所述步骤三具体为：第一步：通过FAST方法，以扰动基元反应的方式测得各基...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟星，林圣强，韩之雄，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23