大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰的化學(xué)反應(yīng)器模擬

李亞清，劉?勇，郭澤穎，張?祥，鄭丹偉，鄧子江

大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰的化學(xué)反應(yīng)器模擬

李亞清，劉?勇，郭澤穎，張?祥，鄭丹偉，鄧子江

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

針對(duì)大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰進(jìn)行模擬，建立一個(gè)基于化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)的快速預(yù)測(cè)模型，對(duì)不同工況的大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰進(jìn)行快速模擬．通過(guò)對(duì)3種(正庚烷、正癸烷、正十二烷)燃料在進(jìn)口流量0.268～0.343g/s，當(dāng)量比0.8～1.2，混合氣進(jìn)口溫度380～500K下的射流火焰進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)求解，建立數(shù)據(jù)樣本集合．通過(guò)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析獲得射流火焰CRN分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．建立優(yōu)化模型對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．建立大分子碳?xì)淙剂仙淞骰鹧孢M(jìn)口參數(shù)與各個(gè)反應(yīng)器出口參數(shù)的擬合關(guān)系式．最后運(yùn)用擬合關(guān)系式對(duì)參考工況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)測(cè)最大相對(duì)誤差為11.2%，平均相對(duì)誤差為4.6%．

大分子碳?xì)淙剂希簧淞骰鹧?；化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型；優(yōu)化

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒數(shù)值模擬對(duì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制費(fèi)用和縮短研制周期具有十分重要的意義．燃燒室燃燒的數(shù)值模擬一般選用大分子碳?xì)淙剂?碳分子數(shù)一般在8～16之間)來(lái)模擬替代真實(shí)航空煤油，然而碳?xì)淙剂系慕M成和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，燃燒機(jī)理不準(zhǔn)確是燃燒數(shù)值模擬誤差的一個(gè)重要原因．目前一般采用射流火焰來(lái)驗(yàn)證燃料反應(yīng)機(jī)理的燃燒特性(火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰結(jié)構(gòu)、絕熱燃燒溫度、燃燒產(chǎn)物分布等)，但是通過(guò)CFD(computational fluid dynamics)驗(yàn)證射流火焰燃燒特性不適宜程序優(yōu)化(計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng))[1]，因此，建立一種快速驗(yàn)證反應(yīng)機(jī)理的射流火焰模型是有意義的．本文在大量CFD計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)CRN(chemical reactor network)模型方法對(duì)射流火焰建立了快速預(yù)測(cè)模型．

CRN方法經(jīng)常用來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，包括對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)．近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員發(fā)展了一種與CFD 計(jì)算結(jié)果分析相結(jié)合的CRN模擬方法[2]，該方法是依據(jù)CFD數(shù)值模擬的局部熱化學(xué)狀態(tài)參數(shù)(溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、當(dāng)量比、混合分?jǐn)?shù)等)分布特性，將研究對(duì)象區(qū)域離散劃分為若干個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可采用簡(jiǎn)單的理想化學(xué)反應(yīng)器來(lái)模擬．這種CRN方法保持了準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)描述，但簡(jiǎn)化了流程表示，將 CFD與CRN結(jié)合使用，是一種非常具有前景的研究方法[3]．相比于傳統(tǒng)的CFD模擬方法，CRN具有以下優(yōu)點(diǎn)：①計(jì)算時(shí)間短，減少計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)；②由于CRN在模擬過(guò)程中可以使用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，可以預(yù)測(cè)到CFD模擬中缺失的小組分的信息[4]．大量文獻(xiàn)采用CRN對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行快速預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有良好的一致性．Lyra等[4]采用CRN方法進(jìn)行了貧預(yù)混高壓甲烷-空氣火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)．Innocenti等[5]對(duì)一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)管狀燃燒器中的污染物排放進(jìn)行了預(yù)測(cè)，可用于在設(shè)計(jì)階段對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排放進(jìn)行初步評(píng)估. Nguyen等[6]對(duì)貧預(yù)混燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的NO排放進(jìn)行研究，采用4個(gè)PSR的簡(jiǎn)單模型和12個(gè)PSR的復(fù)雜模型，預(yù)測(cè)燃燒室出口處的NO排放量，并和實(shí)驗(yàn)值比較，得出CRN在預(yù)測(cè)NO排放方面顯示出與實(shí)驗(yàn)值更好的一致性．楊小龍[7]采用CRN方法對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的NO排放隨燃料加濕量的變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)．趙璐等[3]采用CRN方法對(duì)燃燒室進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，使用CRN方法計(jì)算得到的燃燒室特性參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值相吻合．王迪[8]應(yīng)用CFD和CRN模型兩種計(jì)算方法，對(duì)某低排放單管燃燒室和某環(huán)形燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室分別進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型劃分，研究了燃燒室壓力、停留時(shí)間、進(jìn)口溫度等因素對(duì)污染物排放特性的影響．李朋玉[9]對(duì)某貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室進(jìn)行反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，準(zhǔn)確描述了燃燒室燃燒行為．母濱[10]對(duì)貧預(yù)混燃燒室NO排放進(jìn)行CRN方法研究，研究CFD區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)和CRN模型差異對(duì)預(yù)測(cè)燃燒室出口NO排放特性的影響．綜上，可以看出，國(guó)內(nèi)外主要將CRN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的模擬上，而對(duì)其中要用到的碳?xì)淙剂系幕A(chǔ)燃料的燃燒機(jī)制卻少加注意，而且主要集中在對(duì)NO排放的預(yù)測(cè)上，忽略了對(duì)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型中的反應(yīng)器特征參數(shù)的研究．因此除了對(duì)燃燒室進(jìn)行CRN網(wǎng)絡(luò)模擬外，對(duì)基礎(chǔ)燃料的燃燒進(jìn)行快速模擬，構(gòu)建CRN預(yù)測(cè)模型也是非常重要的．針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)燃料(大分子碳?xì)淙剂?構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，建立對(duì)大分子碳?xì)渖淞魅剂仙淞骰鹧娴膮?shù)化CRN網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)化學(xué)反應(yīng)器參數(shù)(體積)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建進(jìn)口參數(shù)與反應(yīng)器參數(shù)的擬合關(guān)系式，快速準(zhǔn)確地模擬碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的燃燒．

1?方法

1.1?計(jì)算方法的流程

本文進(jìn)行大量的碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰CFD數(shù)值模擬，對(duì)CFD數(shù)值結(jié)果進(jìn)行后處理；并且以沿軸線的溫度分布、組分濃度的分布等作為基準(zhǔn)參數(shù)，將整個(gè)火焰空間區(qū)域離散劃分為若干個(gè)物理或化學(xué)條件相似的準(zhǔn)均勻區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以用一個(gè)PSR來(lái)代替．

利用多個(gè)PSR構(gòu)建CRN網(wǎng)絡(luò)，耦合詳細(xì)/半詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理快速且準(zhǔn)確地模擬碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰，利用遺傳算法優(yōu)化每個(gè)反應(yīng)器的參數(shù)，通過(guò)曲線擬合建立入口參數(shù)(進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度、當(dāng)量比等)與反應(yīng)器參數(shù)(反應(yīng)器體積、停留時(shí)間等)之間的關(guān)系，驗(yàn)證反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性(見(jiàn)圖1)．

圖1?計(jì)算方法的流程圖

1.2?CFD數(shù)值模擬

碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰數(shù)值模擬采用本生燈物理模型．計(jì)算域如圖2所示，本文采用二維軸對(duì)稱模型來(lái)替代實(shí)際三維模型．大分子碳?xì)淙剂辖?jīng)過(guò)完全蒸發(fā)后提前與一定量空氣形成預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的可燃混合氣，混合氣從本生燈的出口噴出，然后在圓柱形的計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行燃燒．噴管物理模型半徑6mm，高20mm，在本生燈出口外側(cè)設(shè)置了一個(gè)圓柱形的計(jì)算域，高度為600mm，半徑175mm．

圖2?計(jì)算域

本生燈燃料混合氣進(jìn)口條件設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，外側(cè)圓柱的進(jìn)口條件設(shè)置為壓力進(jìn)口條件，外側(cè)圓柱的出口為壓力出口，進(jìn)出口壓力都保持為環(huán)境壓力；兩側(cè)壁面設(shè)為絕熱壁面．基于ANSYS Fluent 15.0理論指導(dǎo)手冊(cè)對(duì)本生燈碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰開(kāi)展數(shù)值模擬．?dāng)?shù)值計(jì)算中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型、燃燒模型采用EDC模型，方程的離散格式采用二階迎風(fēng)進(jìn)行離散，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用總包機(jī)理，模擬結(jié)果除能量方程殘差小于1.0×10-6外，其他殘差均設(shè)置為小于1.0×10-4，并且進(jìn)出口流量總數(shù)的偏差相差小于1%，即可確認(rèn)數(shù)值模擬結(jié)果已經(jīng)收斂．為了進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，本文分別選擇網(wǎng)格數(shù)為1.9萬(wàn)、3.9萬(wàn)、11.2萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，如圖3所示，確定本文計(jì)算問(wèn)題的合適網(wǎng)格數(shù)量為3.9萬(wàn)．

圖3?網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

分別選用正庚烷(C7H16)、正癸烷(C10H22)、正十二烷(C12H26)作為本生燈入口燃料，對(duì)不同燃料，不同進(jìn)口流量，不同進(jìn)口溫度，不同當(dāng)量比下的燃燒進(jìn)行CFD模擬，計(jì)算工況如表1所示．3種燃料在不同流量、當(dāng)量比和進(jìn)口溫度下的組合，共計(jì)81種工況．

表1?計(jì)算工況

Tab.1?Parameters of calculation

1.3?化學(xué)反應(yīng)器模型

PSR是一種理想的零維反應(yīng)器模型，假設(shè)在PSR反應(yīng)器中，反應(yīng)物在進(jìn)入反應(yīng)器后立刻均勻地分布于整個(gè)反應(yīng)器空間內(nèi)，且反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物完全混合，混合時(shí)間可以忽略不計(jì)，因此，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的生成速率主要由化學(xué)反應(yīng)速率控制．這個(gè)假設(shè)減小了計(jì)算強(qiáng)度，同時(shí)也能在反應(yīng)器中加入詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理．PSR中的流動(dòng)特點(diǎn)是：①反應(yīng)器內(nèi)、反應(yīng)器出口的物質(zhì)組成、溫度等參數(shù)均勻且一致，不隨時(shí)間、空間變化；②各物質(zhì)微元在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間各不相同．完全混合反應(yīng)器的特征參數(shù)一般為體積、停留時(shí)間或質(zhì)量流量、熱損失或溫度、進(jìn)口溫度和混合物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))．

PSR反應(yīng)器包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒方程．由于反應(yīng)物混合很快，因此可以認(rèn)為反應(yīng)器中的溫度和組分與在反應(yīng)器出口時(shí)是一樣的，通過(guò)反應(yīng)器的質(zhì)量流量也是恒定不變的[4]，如圖4所示．

圖4?PSR結(jié)構(gòu)

(1) 質(zhì)量守恒方程

停留時(shí)間與反應(yīng)器體積和燃料質(zhì)量流量有關(guān)，定義為

故上述方程可以表示為

(2) 能量守恒方程

如果所研究的燃燒系統(tǒng)不包含局部熄火、重新點(diǎn)火、熱聲不穩(wěn)定性等瞬態(tài)過(guò)程，則可以采用PSR反應(yīng)器對(duì)其進(jìn)行模擬．

1.4?CRN模型的構(gòu)建、優(yōu)化

首先，指定用于執(zhí)行區(qū)域創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)，可以定義局部熱化學(xué)狀態(tài)(溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、混合分?jǐn)?shù)等)作為判定標(biāo)準(zhǔn)．然后，根據(jù)所選的準(zhǔn)則對(duì)CFD網(wǎng)格中主要物理或化學(xué)條件接近均勻的有限體積單元進(jìn)行聚類(lèi)和重新分組，將CFD流場(chǎng)劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域具有相似的局部熱化學(xué)特征(在物理或化學(xué)條件上接近準(zhǔn)均勻區(qū)域)，一旦區(qū)域分割完成，每一個(gè)區(qū)域都可以采用一個(gè)PSR對(duì)其進(jìn)行模擬．對(duì)CFD的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理獲取流場(chǎng)和溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)等信息，根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)射流火焰區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，建立火焰拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要的劃分標(biāo)準(zhǔn)基于流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、OH基分布、當(dāng)量比或混合分?jǐn)?shù)的分布等CRN區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用多個(gè)反應(yīng)器相互連接構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的模式映射對(duì)應(yīng)的CFD結(jié)構(gòu)，完成CRN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立．本文采用溫度作為火焰結(jié)構(gòu)的CRN區(qū)域劃分原則，構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型．采用基于ChemkinⅢ[11]的代碼進(jìn)行CRN化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)求解，建立參數(shù)化的CRN模型，利用基于遺傳算法的優(yōu)化算法對(duì)CRN反應(yīng)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，擬合反應(yīng)器參數(shù)(反應(yīng)器體積、停留時(shí)間)與進(jìn)口參數(shù)(進(jìn)口溫度，進(jìn)口流量，當(dāng)量比等)的關(guān)系．

2?結(jié)果與討論

以C10H22的一個(gè)工況下的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為例，分析火焰結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)，＝0.268g/s，＝0.8，＝430K，C10H22的CFD模擬結(jié)果的溫度云圖如圖5所示．

文獻(xiàn)[12-15]表明沿軸線的溫度分布和沿軸線的組分分布可以作為描述大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰特性的典型參數(shù)．眾多學(xué)者研究了以溫度為基準(zhǔn)參數(shù)建立CRN模型標(biāo)準(zhǔn)的方法，并且應(yīng)用到燃燒室和預(yù)混射流火焰的區(qū)域離散劃分中．采用火焰溫度分布作為CRN離散的準(zhǔn)則，有利于組織燃燒，特征識(shí)別等，因此本文采用沿軸線的溫度分布作為CRN劃分的標(biāo)準(zhǔn)，本文研究的射流火焰溫度沿軸線的分布如圖6所示．

圖5?本生燈溫度云圖

圖6?沿軸線的溫度分布

采用沿軸線的溫度分布作為劃分準(zhǔn)則的特征參數(shù)，將預(yù)混射流火焰劃分為7個(gè)區(qū)域，用7個(gè)PSR串聯(lián)在一起，構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，用來(lái)快速模擬液體碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的燃燒．在CRN模擬中采用CH反應(yīng)機(jī)理包，其中包含C7H16、C10H22、C12H26多組分反應(yīng)機(jī)理．根據(jù)溫度梯度分布特點(diǎn)，沿軸線的分布是先上升后下降，在噴管出口不遠(yuǎn)處，火焰充分燃燒達(dá)到最大值max，然后由于火焰本身的輻射放熱，氣流的摻混、卷吸作用，溫度沿軸線逐漸降低．在溫度上升段用兩個(gè)PSR反應(yīng)器來(lái)模擬，PSR1用來(lái)模擬噴管出口至0.9max這一區(qū)域，PSR2用來(lái)模擬0.9max～max這一區(qū)域，下降段由5個(gè)PSR來(lái)模擬，max～0.85max這一區(qū)域由PSR3來(lái)模擬，0.85max～0.75max這一區(qū)域由PSR4來(lái)模擬，0.75max～0.6max這一區(qū)域由PSR5來(lái)模擬，0.6max～0.5max這一區(qū)域由PSR6來(lái)模擬，0.5max～0.3max這一區(qū)域由PSR7來(lái)模擬．具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示．

在max～0.85max區(qū)域，由于氣流的卷吸摻混作用，需要在PSR3中加入摻混氣，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行CRN模擬．反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示．

表2?CRN的劃分

Tab.2?Division of CRN

圖7?CRN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為提高反應(yīng)器反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的適用性，需要確定每個(gè)反應(yīng)器的特征參數(shù)(體積，停留時(shí)間)與進(jìn)口參數(shù)(進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度、當(dāng)量比等)的關(guān)系．在眾多的優(yōu)化算法中，遺傳算法[16]作為一種非線性問(wèn)題的直接搜索法，它能夠在復(fù)雜空間進(jìn)行全局優(yōu)化搜索，并具有較強(qiáng)的魯棒性，應(yīng)用廣泛．另外，遺傳算法對(duì)于搜索空間基本上不需要限制性的假設(shè)(如連續(xù)、可微等)，本文采用遺傳算法對(duì)所構(gòu)建的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化．

遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)為

以各個(gè)反應(yīng)器出口溫度與實(shí)驗(yàn)參考溫度值的相對(duì)誤差的平方為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)每個(gè)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用基于遺傳算法的優(yōu)化算法對(duì)每個(gè)反應(yīng)器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．

首先進(jìn)行兩組單個(gè)工況的CRN模擬，進(jìn)口流量0.268g/s，當(dāng)量比為1，進(jìn)口溫度分別為430K和500K．圖8展示的是上述兩種工況下的CFD模擬結(jié)果與CRN模擬值的對(duì)比，可以看出，CRN在第二個(gè)反應(yīng)器出口溫度為2300K左右，低于CFD的模擬溫度，這是由于CFD模擬計(jì)算中采用了總包反應(yīng)，中間組分較少，導(dǎo)致最高溫度偏高，其他各個(gè)反應(yīng)器都與CFD模擬值有非常好的適應(yīng)度，說(shuō)明CRN網(wǎng)絡(luò)能很好地對(duì)CFD結(jié)果進(jìn)行模擬．并且CRN能夠考慮CFD中缺失的小組分信息，在保持一定精準(zhǔn)度的同時(shí)，模擬時(shí)間大大減少(采用單核CPU運(yùn)行情況下，一次CRN計(jì)算時(shí)間約為2min)，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間．

圖8?CRN模擬值和CFD溫度值

選取6種工況，如表3所示，采用基于遺傳算法的CRN方法進(jìn)行優(yōu)化，不同工況下的各反應(yīng)器的變化趨勢(shì)如圖9所示．

表3?優(yōu)化工況

Tab.3?Optimization condition parameters

由圖9可以看出，優(yōu)化的反應(yīng)器體積參數(shù)和進(jìn)口參數(shù)有著某種多元線性關(guān)系．完成所有81個(gè)工況的CRN參數(shù)優(yōu)化，對(duì)7個(gè)反應(yīng)器PSR1～PSR7的體積和反應(yīng)器入口參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到反應(yīng)器體積與反應(yīng)器入口參數(shù)(進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度、當(dāng)量比等)之間的關(guān)系式．對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到信息模型是許多工程問(wèn)題常用的方法，能夠滿足各種實(shí)際應(yīng)用，對(duì)相關(guān)參數(shù)建立擬合關(guān)系式是十分必要的．在此之前需對(duì)反應(yīng)器進(jìn)口參數(shù)稍作處理，將各個(gè)進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，更加客觀地表述相關(guān)關(guān)系．

圖9?不同工況下的PSR體積

將進(jìn)口參數(shù)質(zhì)量流量與雷諾數(shù)相關(guān)聯(lián)

經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理后，對(duì)反應(yīng)器入口參數(shù)和反應(yīng)器體積建立擬合關(guān)系式：

擬合結(jié)果如下：

利用上述建立的擬合關(guān)系式，本文從表1中選取了6個(gè)工況對(duì)碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的燃燒進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證．燃料選用正癸烷．具體各工況的進(jìn)口參數(shù)如表4所示，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖10所示．

表4?預(yù)測(cè)工況

Tab.4?Prediction condition parameters

圖10?驗(yàn)證結(jié)果

圖10中，藍(lán)色和綠色線代表參考工況值的±15%，可以看出驗(yàn)證的結(jié)果在參考值的±15%范圍內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)器模型預(yù)測(cè)結(jié)果與參考結(jié)果最大相對(duì)誤差為11.2%，平均相對(duì)誤差為4.6%，說(shuō)明擬合的關(guān)系式具有適用性，預(yù)測(cè)結(jié)果是可靠的．在一定程度上 CRN模型能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)大分子碳?xì)淙剂项A(yù)混射流火焰的快速預(yù)測(cè)．

3?結(jié)?論

(1) 提出了采用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)來(lái)對(duì)大分子碳?xì)淙剂仙淞骰鹧娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行快速模擬的方法，優(yōu)化了反應(yīng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與進(jìn)口參數(shù)的關(guān)系式；驗(yàn)證結(jié)果表明所建立的化學(xué)反應(yīng)器模型預(yù)測(cè)結(jié)果與參考結(jié)果最大相對(duì)誤差為11.2%，平均相對(duì)誤差為4.6%．

(2) 與CFD模擬相比，CRN能夠在詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理下快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)碳?xì)漕A(yù)混射流火焰的模擬，在保持一定精準(zhǔn)度的同時(shí)，極大地節(jié)約了時(shí)間(每次CRN計(jì)算時(shí)間為分鐘級(jí))．

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Chemical Reactor Simulation of Macromolecule Hydrocarbon Fuel Premixed Jet Flame

Li Yaqing，Liu Yong，Guo Zeying，Zhang Xiang，Zheng Danwei，Deng Zijiang

(Aero-Engine Thermal Environment and Structure Key Laboratory of Ministry of Industry and Information Technology，College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

An efficient chemical reactor network(CRN)model was proposed based on the simulation results of premixed jet flame of macromolecule hydrocarbon fuel，for the purpose of simulating premixed flame under different conditions. The data sample set was established through computational fluid dynamics(CFD)simulation using three different fuels (n-heptane，n-decane，n-dodecane)，under the mass flow rate ranging from 0.268g/s to 0.343g/s，the equivalence ratio ranging from 0.8 to 1.2，and the inlet temperature ranging from 380K to 500K. The CRN topological structure was obtained by analyzing the sample data. An optimization model was put forward to optimize the characteristic parameters of CRN. In addition，the fitting relationship between the inlet parameters of jet flame and the exit parameters of reactors was established. Finally，the fitting relationship was employed in reference conditions. Results show that the maximum value of relative error is 11.2% and its mean value is 4.6%.

macromolecule hydrocarbon fuel；jet flame；chemical reactor network model；optimization

V312.1

A

1006-8740(2021)01-0060-07

10.11715/rskxjs.R201910015

2019-12-23．

李亞清（1990—??），男，碩士研究生，1156683169@qq.com.

劉?勇，男，博士，副教授，lyyl71@nuaa.edu.cn.