一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法

1.本发明属于发动机燃烧过程的计算机模拟领域，涉及一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法。


背景技术：

2.高海拔地区大气含氧量低，燃料不易燃烧完全，因此发动机工作时会出现功率下降、排气温度上升和碳烟排放恶化问题，发动机的动力性、经济性和可靠性相比平原大幅下降。燃料补氧即采用含氧燃料是解决发动机高海拔问题的有效途径，积极寻找高效含氧燃料已成为目前发动机高海拔性能研究的热点。甲醇的含氧量高达50％，其燃烧效率高，碳烟排放低，极具高海拔应用前景。但在发动机上直接应用甲醇存在一定的困难，原因是甲醇较高的蒸发潜热、较低的十六烷值和粘度等理化特性会导致着火困难、喷射系统压力波动较大和甲醛排放高等问题。生物柴油十六烷值和粘度较高，含氧量超过10％，与甲醇的互溶性较好。将生物柴油与甲醇以一定比例混合，可以实现两种燃料理化特性互补。
3.另一方面，高海拔地区发动机试验成本高昂，试验周期较长。通过计算机模拟手段对高海拔环境下发动机燃烧过程进行研究，可以减少试验次数和降低研发成本。但在对涉及庞大组分与反应的混合燃料燃烧过程模拟时会存在收敛速度缓慢，计算成本急剧上升问题。因此，在满足计算精度的前提下，对混合燃料的机理进行简化具有重要意义。
4.现阶段，已有生物柴油和甲醇单独的详细机理和简化机理，但关于甲醇/生物柴油混合燃料的详细机理和简化机理的研究还未涉及。为解决该问题，亟需构建甲醇/生物柴油混合燃料简化机理，以满足高海拔环境下发动机燃烧过程计算机模拟要求。


技术实现要素：

5.本发明目的是针对上述问题，提供一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
7.一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，包括如下步骤：
8.步骤(1)：耦合甲醇和生物柴油的详细机理，调整敏感反应的系数，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理；
9.步骤(2)：根据步骤(1)得到的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理，采用直接关系图法和考虑误差的直接关系图法，对若干种典型的甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；
10.步骤(3)：耦合根据步骤(2)得到的若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；
11.步骤(4)：采用同分异构体消除法和全局敏感性分析法，对步骤(3)得到甲醇/生物柴油混合燃料的半详细机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。
12.进一步，所述步骤(1)具体内容和方法步骤为：
13.第一步：选择llnl实验室开发的生物柴油详细机理和普林斯顿大学li开发的甲醇详细机理，将所选两个详细机理合并，删除重复的组分和反应；
14.第二步：计算并比较各反应的敏感性系数，筛选第一步所得机理中对着火延迟期和层流火焰速度影响较大的敏感反应，基于试验数据对对敏感反应的系数进行修正，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理。
15.进一步，所述步骤(2)具体内容和方法步骤为：
16.第一步：利用步骤(1)得到的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理，设定阈值以及目标组分的预测误差，采用直接关系图法对甲醇比例为0～100％之间的若干种典型甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到若干种典型甲醇/生物柴油混合燃料中间机理；
17.第二步：采用考虑误差的直接关系图法，对第一步所得中间机理进行简化，得到若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；
18.进一步，所述步骤(3)具体内容和方法步骤为：
19.将步骤(2)所得若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理合并，删除重复的组分及反应，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理。
20.进一步，所述步骤(4)具体内容和方法步骤为：
21.第一步：归纳步骤(3)所得甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理中同分异构体组，对同分异构体组进行产率分析，在设定误差范围内，逐一删除同分异构体组中对产率影响较低的次要组分及对应反应；
22.第二步：利用全局敏感性分析法，对第一步所得机理中所有组分进行敏感性分析，在设定误差范围内对机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。
23.进一步，所述步骤(1)和步骤(4)还分别包括如下步骤：
24.选取燃烧动力学计算中的重要参数：着火延迟期、层流火焰速度和重要组分浓度，作为验证参数；利用试验及模拟数据，分别对甲醇/生物柴油混合燃料详细机理和简化机理的着火延迟期、层流火焰速度和重要组分浓度进行验证。
25.本发明具有的有益效果：
26.(1)本发明采用若干种典型甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算的方法，能提高所得甲醇/生物柴油混合燃料简化机理对不同甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料的适用性，并能很好地应用于类似混合燃料详细机理的简化；
27.(2)本发明先将甲醇/生物柴油混合燃料详细机理简化至半详细机理，再将验证后的半详细机理简化至简化机理的方法，能在大量减少组分和反应的同时，保证最终所得简化机理的可靠性。
附图说明
28.图1是本发明构建的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理及简化方法的流程图；
29.图2a是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的甲醇着火延迟期验证图；
30.图2b是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的甲醇层流火焰速度验证图；
31.图3a是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理的甲醇着火延迟期验证
图；
32.图3b是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理的生物柴油着火延迟期验证图；
33.图4a是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料简化机理的甲醇着火过程主要组分摩尔浓度验证图。
34.图4b是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料简化机理的生物柴油着火过程主要组分摩尔浓度验证图。
35.图4c是本发明所述的甲醇/生物柴油混合燃料简化机理的海拔2400m下缸内压力和放热率验证图
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的保护范围不局限于所述实施例。
37.本发明的实施例对甲醇/生物柴油混合燃料的详细机理进行构建以及简化，通过本实施例的分析，对本发明做详细的说明。
38.附图1所示，一种甲醇/生物柴油混合燃料的详细机理与简化方法，包括以下步骤：
39.步骤(1)：耦合甲醇和生物柴油的详细机理，调整敏感反应的系数，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理。具体内容和方法步骤包括：
40.第一步：选择llnl实验室开发的生物柴油详细机理，其包含3299种组分和10806个反应。选择普林斯顿大学li开发的甲醇详细机理，其包含21个反应组分和93个反应。将所选两个详细机理合并，删除重复的组分和反应，得到一个包含3299种组分和10816个反应的详细机理；
41.第二步：计算并比较各反应的敏感性系数，筛选第一步所得机理中对着火延迟期和层流火焰速度影响较大的敏感反应，基于试验数据对对敏感反应的系数进行修正，验证后得到一个包含3299种组分和10816个反应甲醇/生物柴油混合燃料详细机理。将得到的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理与甲醇着火延迟期以及层流火焰速度试验值进行了对比，如图2a和图2b，着火延迟期试验条件：压力为1mpa，当量比为1，氩气浓度为95.25％。层流火焰速度试验条件：压力为0.1mpa，温度分别为318k、340k和368k。可以发现详细机理预测的精度较高。
42.步骤(2)：采用直接关系图法和考虑误差的直接关系图法对四种典型的甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到四个甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理。具体内容和方法步骤包括：
43.设置简化过程中阈值为0.01，着火延迟期以及重要反应物ch2o、c2h2、c2h4、c3h6、co和co2相对误差为30％。采用直接关系图法和考虑误差的直接关系图法，对甲醇比例分别为5％、10％、20％和50％的四种典型甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，所设定的计算条件为当量比取0.5～2.0，温度取700k～1400k，压力取3～5mpa。得到四种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；
44.步骤(3)：耦合四个甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理。具体内容和方法步骤包括：
45.将步骤(2)得到的四个甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理的半详细机理合并，去除重复的组分及反应。得到甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理，包含525种组分和2653个反应。将得到甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理与甲醇着火延迟期试验值以及llnl生物柴油详细机理的生物柴油着火延迟期模拟结果进行了对比，如图3a和图3b，着火延迟期试验条件：压力为5mpa，当量比为1，氩气浓度为85.75％。模拟对比条件：当量比为1，压力分别为0.1mpa，1mpa和10mpa。可以发现甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理依然保持较好的预测精度。
46.步骤(4)：采用同分异构体消除法和全局敏感性分析法，对甲醇/生物柴油混合燃料的半详细机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。具体内容和方法步骤包括：
47.第一步：归纳步骤(3)所得甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理中同分异构体组，对同分异构体组进行产率分析。设置着火延迟期的相对误差为30％，在设定误差范围内，逐一删除同分异构体组中对产率影响较低的组分及对应反应，得到一个包含253种组分和948个反应的机理；
48.第二步：利用全局敏感性分析法，对第一步所得机理中所有组分进行敏感性分析，在设定误差范围内对机理进行深度简化。简化过程中阈值为0.01，着火延迟期以及重要反应物ch2o、c2h2、c2h4、c3h6、co和co2相对误差为30％。验证后得到一个包含127种组分和465个反应甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。
49.将最终得到的甲醇/生物柴油混合燃料简化机理与详细机理模拟结果以及发动机高原试验数据进行对比，如图4a-图4c。图4a中模拟条件：压力为1mpa，当量比为1。图4b中模拟条件：当量比为1，温度为1300k。图4c中试验条件：海拔高度为2400m。可以发现所得甲醇/生物柴油混合燃料简化机理的误差较小，能较准确描述混合燃料的燃烧过程。

技术特征：
1.一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：耦合甲醇和生物柴油的详细机理，调整敏感反应的系数，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理；步骤(2)：根据步骤(1)得到的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理，采用直接关系图法和考虑误差的直接关系图法，对若干种典型的甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；步骤(3)：耦合根据步骤(2)得到的若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；步骤(4)：采用同分异构体消除法和全局敏感性分析法，对步骤(3)得到甲醇/生物柴油混合燃料的半详细机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。2.根据权利要求1所述的一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于：所述步骤(1)具体内容和方法步骤为：第一步：选择llnl实验室开发的生物柴油详细机理和普林斯顿大学li开发的两个甲醇详细机理，将所选两个甲醇详细机理合并，删除重复的组分和反应；第二步：计算并比较各反应的敏感性系数，筛选第一步所得机理中对着火延迟期和层流火焰速度影响较大的敏感反应，基于试验数据对对敏感反应的系数进行修正，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理。3.根据权利要求1所述的一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于：所述步骤(2)具体内容和方法步骤为：第一步：利用步骤(1)得到的甲醇/生物柴油混合燃料详细机理，设定阈值以及目标组分的预测误差，采用直接关系图法对甲醇比例为0～100％之间的若干种典型甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到若干种典型甲醇/生物柴油混合燃料中间机理；第二步：采用考虑误差的直接关系图法，对第一步所得中间机理进行简化，得到若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理。4.根据权利要求1所述的一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于：所述步骤(3)具体内容和方法步骤为：将步骤(2)所得若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理合并，删除重复的组分及反应，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理。5.根据权利要求1所述的一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于：所述步骤(4)具体内容和方法步骤为：第一步：归纳步骤(3)所得甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理中同分异构体组，对同分异构体组进行产率分析，在设定误差范围内，逐一删除同分异构体组中对产率影响较低的次要组分及对应反应；第二步：利用全局敏感性分析法，对第一步所得机理中所有组分进行敏感性分析，在设定误差范围内对机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。6.根据权利要求1所述的一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(4)还分别包括：选取燃烧动力学计算中的重要参数：着火延迟期、层流火焰速度和重要组分浓度，作为
验证参数；利用试验及模拟数据，分别对甲醇/生物柴油混合燃料详细机理和简化机理的着火延迟期、层流火焰速度和重要组分浓度进行验证。

技术总结
本发明公开了一种甲醇/生物柴油混合燃料详细机理的构建与简化方法，步骤是：耦合甲醇和生物柴油的详细机理，调整敏感反应的系数，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料详细机理；采用直接关系图法和考虑误差的直接关系图法，对若干种典型的甲醇/生物柴油混合燃料进行简化计算，得到若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；耦合若干种甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理，验证后得到适用于各种甲醇比例的甲醇/生物柴油混合燃料半详细机理；采用同分异构体消除法和全局敏感性分析法，对半详细机理进行深度简化，验证后得到甲醇/生物柴油混合燃料简化机理。本发明所构建的甲醇/生物柴油混合燃料简化机理可直接应用于发动机燃烧过程数值模拟。过程数值模拟。过程数值模拟。


技术研发人员：徐华平
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/19