基于反應(yīng)路徑分析法的生物柴油簡化機理研究

鄭五洲　周乃君　黃　慶

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院湖南長沙410083）

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基于反應(yīng)路徑分析法的生物柴油簡化機理研究

鄭五洲周乃君黃慶

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院湖南長沙410083）

基于反應(yīng)路徑分析法，建立了一個適合三維數(shù)值模擬軟件耦合生物柴油反應(yīng)機理的簡化機理。該簡化機理由68個組分和113個基元反應(yīng)組成。通過與文獻提出的機理進行對比，結(jié)果表明該簡化機理具有較好的精度。利用CFD軟件FLUENT建立柴油機三維模型，將簡化機理與EDC燃燒模型等耦合。計算結(jié)果顯示，所建立的三維模型在CPU為I7-4790的處理器上計算耗時約為70 h，比文獻提出的機理節(jié)省約170 h，且能較好地預(yù)測發(fā)動機的作功能力。

生物柴油反應(yīng)路徑分析法簡化機理三維數(shù)值模擬

引言

生物柴油作為車用發(fā)動機替代燃料之一，已在國內(nèi)外得到推廣和應(yīng)用。隨著激波管技術(shù)、激光光譜技術(shù)等試驗方法的日新月異，構(gòu)建生物柴油化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)已成為一個發(fā)展很快的研究方向。2009年，Dayma等［1］在對庚酸甲酯（MHEP）進行實驗研究的基礎(chǔ)上，得到一個包含1087種組分和4592個基元反應(yīng)的詳細(xì)機理。2007年，Gail等［2］通過實驗和數(shù)值模擬研究，得到一個包含295種組分、1498個基元反應(yīng)的MB機理。2014年，李軍成［3］在對生物柴油詳細(xì)機理進行簡化后，得到一個對生物柴油燃燒具有良好預(yù)測的Bio111簡化機理。

隨著對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放要求的不斷提高，需要對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程有更深層次的認(rèn)識。CFD作為一種重要而有效的工具已經(jīng)被加以應(yīng)用。但是當(dāng)生物柴油的詳細(xì)化學(xué)機理與三維模擬軟件耦合時，計算時間過長。為了克服這些困難，本文提出一種適用于發(fā)動機三維數(shù)值模擬的生物柴油簡化機理。利用CFD軟件FLUENT模擬柴油機燃燒生物柴油的工作工程，并與實驗結(jié)果對比驗證其可行性。

1　生物柴油機理的簡化

采用CHEMKIN軟件建立單缸直噴發(fā)動機數(shù)值模型，參數(shù)如表1所示。氣缸模型為絕熱的單區(qū)模型，即假定整個燃燒室為一個壓力、溫度和組分完全均勻的空間，忽略缸壁傳熱與湍流等因素的影響，缸內(nèi)過程只受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制。燃料混合氣過量空氣系數(shù)為2。

表1　發(fā)動機部分技術(shù)參數(shù)

1.1反應(yīng)路徑分析方法

為獲得簡化機理，目前采用較多的方法有敏感性分析法、遺傳算法、直接關(guān)系圖法、集總法和反應(yīng)路徑分析法等［4］。其中反應(yīng)路徑分析法工作量較小，過程容易理解，且具有令人滿意的精度，因此本文將采用此法獲得所需的簡化機理。

本文所采用反應(yīng)路徑分析法來獲得生物柴油簡化機理模型的基本過程為：以燃料為初始組分，去除與其相關(guān)且消耗速率較小的基元反應(yīng)，留下對燃料著火和燃燒有重要影響的反應(yīng)，并將這些反應(yīng)的生成物作為新的初始組分，繼續(xù)刪減消耗速率較小的反應(yīng)，直到燃料氧化為CO2和H2O。原則上不改動詳細(xì)機理中基元反應(yīng)的指前因子、溫度指數(shù)和活化能，只進行反應(yīng)組分和基元反應(yīng)的刪減。

1.2生物柴油化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理的簡化

本文的對照樣本采用李軍成［3］建立的MD（癸酸甲酯C11H22O2）和nC7H16（正庚烷）生物柴油氧化模型，其體積分?jǐn)?shù)均為50%。

圖1為本文得到的MD反應(yīng)路徑圖，MD主要在活性基O、OH和H的作用下，生成三種產(chǎn)物ME2J（C3H5O2）、MD2J（C11H21O2）、MD6J（C11H21O2）和（C8H17）-1。MD主要消耗反應(yīng)是：

圖1　癸酸甲酯消耗路徑

圖2為（C8H17）-1反應(yīng)消耗路徑圖，它主要是分解反應(yīng)（C8H17）-1=C2H4+（C6H13）-1。

圖2?。–8H17）-1消耗路徑

圖3為ME2J反應(yīng)消耗路徑圖，其主要通過反應(yīng)ME2J=CH2CO+CH3O和ME2J=MEMJ生成MEMJ（C3H5O2）、CH3O和CH2CO。

圖3　ME2J消耗路徑

圖4為MD2J反應(yīng)消耗路徑圖，其主要通過反應(yīng)MD2J=（C7H15）-1+MP2D生成MP2D（C4H6O2）和（C7H15）-1。

圖5為MD6J反應(yīng)消耗路徑圖，其主要通過反應(yīng)MD6J=nC3H7+MS6D生成nC3H7和MS6D（C8H14O2）。

圖4　MD2J消耗路徑

圖5　MD6J消耗路徑

圖6為nC7H16（正庚烷）反應(yīng)消耗路徑圖，nC7H16主要在活性基O、OH和H等的作用下生成（C7H15）-2。

圖6　正庚烷消耗路徑

nC7H16主要消耗反應(yīng)有：

圖7為（C7H15）-2反應(yīng)消耗路徑圖，其主要通過反應(yīng)（C7H15）-2=pC4H9+C3H6和（C7H15O2）-2=（C7H15）-2+ O2生成pC4H9、C3H6和（C7H15）-2。

圖7?。–7H15）-2消耗路徑

由以上產(chǎn)物的反應(yīng)消耗路徑，得出下一步的產(chǎn)物，直至最終反應(yīng)完全氧化為CO2。另外，NOx化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理采用Zeldovich熱力型反應(yīng)機理：

按照以上過程，最終得到一個包含68種組分和113個基元反應(yīng)的生物柴油簡化機理。

1.3兩種簡化機理的燃燒特性對比

將本文的簡化機理的預(yù)測結(jié)果與李機理［3］的結(jié)果進行對比。圖8和圖9為發(fā)動機缸內(nèi)壓力和溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。由圖可知，簡化機理的計算結(jié)果與李機理吻合較好，實際上，除缸內(nèi)壓力和溫度外，計算得到的缸內(nèi)放熱效率、OH、CO、CO2和H2O濃度等參數(shù)也較好地吻合。因此，本文得到的簡化機理是可行的。

圖8　壓力對比

圖9　溫度對比

2　三維模型的驗證

本文針對國內(nèi)某廠一款新型柴油機，采用本文的簡化機理與李機理進行數(shù)值模擬對比研究。該柴油機的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2　發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

2.1主要模型與邊界條件

主要數(shù)值計算模型包括：組分輸運方程選擇渦耗散概念（EDC）模型；湍流模型采用主RNG模型；流場迭代求解選用PISO算法［5-6］；燃料霧化選擇氣體輔助霧化模型（air-blast atomizer）［7］。

主要邊界條件為：排氣道出口設(shè)置為壓力出口條件。噴射顆粒流的初始溫度為330 K，每個噴嘴的質(zhì)量流量為0.041 4 kg/s，噴射時間為0.001 6 s，每個進氣門流量為0.06 kg/s。

2.2計算耗時對比

計算機處理器型號為I7-4 790，計算耗時對比如表3所示。結(jié)果顯示，此次三維計算模型計算量較大，本文簡化機理比李機理的耗時約少170 h。

表3　計算耗時對比

2.3與實驗結(jié)果的對比

為了驗證三維數(shù)值模擬的正確性，依據(jù)該款柴油機的實驗參數(shù)，模擬計算了各轉(zhuǎn)速下發(fā)動機缸內(nèi)峰值壓力的大小。各轉(zhuǎn)速缸內(nèi)峰值壓力與實驗情況下峰值壓力如表4所示。結(jié)果表明，實驗與模擬結(jié)果吻合較好，能很好地預(yù)測缸內(nèi)峰值壓力的大小。

表4　模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

3　結(jié)論

針對生物柴油化學(xué)反應(yīng)機理，通過反應(yīng)路徑分析法對其進行機理簡化，得到了一個包含68種組分和113個基元反應(yīng)的生物柴油簡化機理，應(yīng)用CFD軟件FLUENT對國內(nèi)某廠一款新型柴油機進行了缸內(nèi)三維數(shù)值模擬，并用試驗結(jié)果進行了檢驗，主要結(jié)論有：

1）反應(yīng)路徑分析法比較方便可靠，且具有較好的精度；

2）本文所建立的簡化機理可大幅度減少計算耗時；

3）本文所建立的簡化機理能較好地預(yù)測生物柴油在發(fā)動機內(nèi)的作功性能等。

1Dayma G，Togbe C，Dagaut P.Detailed kinetic mechanism for the oxidation of vegetable oil methyl esters：new evidence from methyl heptanoate［J］.Energy&Fuels，2009，23：4254-4268

2Ga?l S，Thomson M J，Sarathy S M，et al.A wide-ranging kinetic modeling study of methyl butanoate combustion［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31：305-311

3李軍成.生物柴油化學(xué)反應(yīng)機理模型及燃燒分析應(yīng)用［D］.長沙：湖南大學(xué)，2014

4劉耀東.基礎(chǔ)燃料（PRF）及汽油表征燃料（TRF）化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)骨架模型的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013

5王福軍.計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

6于勇.FLUENT入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008

7B P Leonard.The ultimate conservative difference scheme applied to unsteady one-dimensional advection［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1991，88（1）：17-74

Study on the Simplified Mechanism of Biodiesel based on the Reaction Path Analysis Method

Zheng Wuzhou，Zhou Naijun，Huang Qing
School of Energy Science and Engineering，Central South University（Changsha，Hunan，410083，China）

Based on the reaction path analysis method，a simplified mechanism of biodiesel was established which is suitable for coupling the 3D numerical simulation software.The simplified chemical kinetic mechanism includes 68 species and 113 elementary reactions.After comparing with the mechanism proposed in the literature，it can be concluded that the simplified mechanism has good precision.A three-dimensional numerical model of diesel engine was developed by coupling the simplified chemical kinetic mechanism and the EDC combustion model.When the processor model is I7-4790，calculation results show that the time consuming of using simplified mechanism is 70 hours，it saves about 170 hours compared to the original mechanism，and it can predict the power of the engine well.

Biodiesel，Reaction path analysis method，Simplified mechanism，Three-dimensional simulation

TE667

A

2095-8234（2016）03-0056-04

鄭五洲（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為內(nèi)燃機代用燃料。

周乃君（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為熱工過程仿真與優(yōu)化研究。

2016-03-11）