一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法技术

一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，包括确定油替代燃料的关键组分与适配机理，采用直接关系图法DRG、基于误差传播的直接关系图法DRGEP、基于全物质敏感性分析法FSSA以及基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA的骨架简化方法，从骨架简化的角度对单燃料机理进行系统地骨架简化，将分别简化后得到的单燃料机理，进行耦合，得到构建的替代燃料简化机理，选取热力学参数，利用实验和数值模拟的对比，对构建的简化机理模型进行对比验证，大幅度降低了详细机理的尺寸，可以实现高效精准的计算。

A method of constructing gasoline alternative fuel model and mechanism simplification

【技术实现步骤摘要】
一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法
本专利技术涉及燃烧动力学领域及汽油替代燃料领域，具体涉及一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法。
技术介绍
随着经济的飞速增长，汽车保有量逐年增加，石油的消耗量也急剧增加；除此之外，内燃机迅猛增加带来的环境污染也不容小觑。面对日益严峻的能源危机和环境问题，积极寻找开发可替代燃料，实现内燃机的高效清洁燃烧迫在眉睫。另一方面，随着计算机技术的发展，数值模拟计算已成为了研究燃料燃烧与排放的主流手段之一。利用数值模拟对各种燃料的燃烧动力学和排放进行分析，极大地丰富了燃烧理论，促进了替代燃料的开发。在借助数值模拟对燃料开展研究时，需在计算机中输入所研究燃料的详细的化学机理，以便对燃料的燃烧和排放过程进行分析。汽油作为目前广泛使用的碳氢燃料，是一种由成百上千个连续光谱变化的碳氢燃料组成的复杂混合物，其中主要包含直链烷烃、支链烷烃、环烷烃、芳香烃等。考虑到计算机的规模和效率，若以实际汽油的组分分布来描述汽油的燃烧过程，将会极大的增加化学机理的尺寸，从而超出计算机的求解范围。因此，目前通常采用具有代表性的单一组分或多种组分作为汽油的替代燃料。在汽油替代燃料的机理中，汽油基础燃料PRF机理、TRF机理是现阶段研究汽油燃烧特性的主流机理。而随着汽油机理研究的不断开展，国内外学者根据不同的研究工况和研究目标，开发了包含更多组分的汽油替代燃料模型和化学机理。但是随着组分的增加，开发出的汽油燃料机理模型的尺寸也随之增加，组分和反应数通常多大几百甚至上千种，不利于直接用于数值模拟计算，而且适用的工况条件有一定的局限性。因此，在借助数值模拟对燃料进行分析时，根据研究目标，构建简化的汽油替代燃料化学机理，实现高效精准运算，为研究汽油燃烧特性提供燃烧理论基础，具有重要意义。现有的汽油替代燃料机理中，主要包括以下几种常见机理：(1)PRF燃料机理，以正庚烷和异辛烷构成汽油基础燃料，机理模型发展较为成熟且不断被更新，但是该替代燃料的辛烷值敏感度(S＝RON-MON)为0，而与辛烷值敏感度为10左右的实际汽油存在一定的差异，不能完全代表汽油的燃烧特性；(2)TRF燃料机理，在PRF基础燃料的基础上，加入了实际汽油中含量较高的芳烃代表成分：甲苯，构成了甲苯参比燃料，是现阶段公认的汽油替代燃料模型。但是现有的TRF机理尺寸庞大，不利于数值模拟；(3)乙醇汽油机理，由正庚烷、异辛烷、甲苯和乙醇构成了乙醇汽油燃料模型。随着乙醇汽油在国内的推广，乙醇汽油机理的提出对乙醇汽油燃烧特性的研究具有重要意义。除以上几种替代燃料机理，一些研究者还根据所研究的工况和目标，提出了更为复杂的多组分汽油替代燃料模型。而与乙醇相比，正丁醇具有更高的热值且易于与汽油、柴油混合，有望成为下一代车用化石燃料的理想替代燃料。但是现有技术中，缺乏能准确描述“丁醇汽油”燃烧特性，并相对简化的反应机理和模型
技术实现思路
本专利技术提供一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，依据此方法所构建的汽油替代燃料模型，大幅度降低了详细机理的尺寸，可以实现高效精准的计算。为了解决上述技术问题，本专利技术包括以下步骤：S1、确定汽油替代燃料的关键组分与适配机理；S2、采用直接关系图法DRG、基于误差传播的直接关系图法DRGEP、基于全物质敏感性分析法FSSA以及基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA的骨架简化方法，从骨架简化的角度对单燃料机理进行系统地骨架简化；S3、将分别简化后得到的单燃料机理，进行耦合，得到构建的替代燃料简化机理；S4、选取热力学参数，利用实验和数值模拟的对比，对构建的简化机理模型进行对比验证；然后对耦合机理进行温度敏感性分析和反应路径分析，识别该机理中的重要组分和反应，基于实验数据调整关键反应的速率参数，对构建的机理进行优化，得到最终的替代燃料机理。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S1包括：S11、根据所述汽油替代燃料性质，选择正庚烷、异辛烷和甲苯，作为表征燃料的基础组分，即构成TRF燃料；在TRF燃料里掺入少许正丁醇，作为第四种基础组分；S12、选择Andrae构建的TRF半详细机理为基础并对TRF机理进行简化；然后选择LLNL实验室开发的丁醇详细机理作为单组分机理，同样对其进行简化，将简化后的两种机理耦合，得到简化的“TRF+正丁醇”机理，即“丁醇汽油”机理。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2包括：S21、采用直接关系图法DRG中，设定目标组分和一个阈值，根据计算其他组分对目标组分的重要系数，根据设定的阈值，当组分的重要系数大于阈值时，保留组分；反之，重要系数小于阈值时，忽略组分；通过直接关系图法DRG得到第一步中间机理，简称为一级机理；S22、通过基于误差传播的直接关系图法DRGEP对第一步中间机理进行简化，得到二级机理；S23、通过基于全物质敏感性分析法FSSA以及基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA对二级机理进行最终简化；其中，在基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA中，经基于误差传播的直接关系图法DRGEP简化后机理中的一团物质进行敏感性分析，将对目标参数影响大的物质和计算误差时在设定误差水平下的物质区分开，然后从机理中依次剔除对目标参数影响小的物质，直到计算误差超过设定误差水平时停止，得到简化机理；在基于全物质敏感性分析法FSSA中，针对的是经基于误差传播的直接关系图法DRGEP简化后机理中的所有物质，逐一剔除机理中不重要的物质，得到简化机理。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3包括：S31、“丁醇汽油”机理进一步简化得到TRF简化机理、正丁醇简化机理；S32、将简化后得到的TRF简化机理、正丁醇简化机理进行耦合，得到最终的构建的汽油替代燃料简化机理。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4包括：S41、选取燃烧动力学中重要的热力学参数：着火延迟期、层流火焰速度和重要物种浓度分布，作为验证参数；对比试验值，分别对两种单燃料简化机理和耦合后的简化机理的着火延迟期、层流火焰速度和物种浓度进行验证；S42、对耦合机理进行温度敏感性分析和反应路径分析，识别该机理中的重要组分和反应，基于实验数据调整关键反应的速率参数，对构建的机理进行优化，得到最终的替代燃料机理。本专利技术具有以下积极效果：1、考虑与乙醇相比，丁醇具有：热值高、易于汽油混合且不易分层、运输较容易的优点，构建了“丁醇汽油”的汽油替代燃料模型，以期与传统汽油相比，实现燃油的高效清洁燃烧，实现节能减排。2、对替代燃料机理进行简化时，选用“正庚烷+异辛烷+甲苯+正丁醇”的组分组合，其中“正庚烷+异辛烷+甲苯”构成了汽油基础燃料TRF。为了确保后续构建机理的准确性，分别选择已经过多工况验证的TRF机理和正丁醇机理，从机理骨架简化的角度，分别对两种单燃料机理进行了组合系统地简化；对两种简化后的单燃料机理进行耦合，初步构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、确定汽油替代燃料的关键组分与适配机理；/nS2、采用直接关系图法DRG、基于误差传播的直接关系图法DRGEP、基于全物质敏感性分析法FSSA以及基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA骨架简化方法，从骨架简化的角度对单燃料机理进行系统地骨架简化；/nS3、将分别简化后得到的单燃料机理，进行耦合，得到构建的替代燃料简化机理；/nS4、选取热力学参数，利用实验和数值模拟的对比，对构建的简化机理模型进行对比验证；然后对耦合机理进行温度敏感性分析和反应路径分析，识别该机理中的重要组分和反应，基于实验数据调整关键反应的速率参数，对构建的机理进行优化，得到最终的替代燃料机理。/n

【技术特征摘要】
1.一种构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定汽油替代燃料的关键组分与适配机理；
S2、采用直接关系图法DRG、基于误差传播的直接关系图法DRGEP、基于全物质敏感性分析法FSSA以及基于耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图方法DRGEPSA骨架简化方法，从骨架简化的角度对单燃料机理进行系统地骨架简化；
S3、将分别简化后得到的单燃料机理，进行耦合，得到构建的替代燃料简化机理；
S4、选取热力学参数，利用实验和数值模拟的对比，对构建的简化机理模型进行对比验证；然后对耦合机理进行温度敏感性分析和反应路径分析，识别该机理中的重要组分和反应，基于实验数据调整关键反应的速率参数，对构建的机理进行优化，得到最终的替代燃料机理。


2.按权利要求1所述的构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
S11、根据所述汽油替代燃料性质，选择正庚烷、异辛烷和甲苯，作为表征燃料的基础组分，构成TRF燃料；在TRF燃料里掺入少许正丁醇，作为第四种基础组分；
S12、选择Andrae构建的TRF半详细机理为基础，并对TRF机理进行简化；然后选择LLNL实验室开发的丁醇详细机理作为单组分机理，同样对其进行简化，将简化后的两种机理耦合，得到简化的“TRF+正丁醇”机理，即“丁醇汽油”机理。


3.按权利要求1所述的构建汽油替代燃料模型及机理简化的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S21、采用直接关系图法DRG中，设定目标组分和一个阈值，根据计算其他组分对目标组分的重要系数，根据设定的阈值，当组分的重要系数大于阈值时，保留组分；反之，重要系数小于阈值时，忽略组分；通过直接关系图法DR...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏胜利，陈洁，于志清，丁统元，杨帆，吴成成，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32