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燃料
在RCM环己烷自动点火的CFD模拟
格利菲斯一，伦佐Piazzesi B 埃琳娜先生，sazhina B，sazhin B，谢尔盖S.，彼埃尔亚历山大格劳德C
，摩根R.卡尔B，1一个化学学院，利兹大学，利兹LS29JT英国，英国 哈里爵士李嘉图实验室，汽车工程，计算，工程和数学，科学和工程学院，布莱顿大学，布赖顿BN2 4gj，法国国家科学研究中心，大学eacute;de Lorraine ENSIC，1街镇，451 bp，54001南希Cedex，法国
摘要
快速压缩机的环己烷自动点火的动力学模型，是基于综合的动力学机制，包括499个物种和2323个反应，然后减少到56个涉及196个反应的种类和143种反应中的50种。目的是探索减少动力学模型，可以被纳入计算流体动力学代码的优点。发动机燃料性能的数值研究，具有特定的参考依据。充量压缩点火（HCCI）或可控自燃（CAI）计算点火延迟，利用零维码假设绝热反应，已用于环己烷空气的化学计量的混合物，包括9o2 C6H12 33.86n2，的初始压力为0.48巴，产生压缩气体压力7.2–9.7杆在压缩。燃气温度范围650，925 K有合理的预测延迟之间的协议
在整个范围内的压缩气体温度的每一个方案。烷烃的共同特征燃料，负温度依赖性的点火延迟的中间范围内预测。不过与实验测量的协议，特别是在负温度依赖性区域，是不是很令人满意。作为一个原因的差异的非绝热反应得到解决，最初通过简单的测试，使用冲刺。减少的机制，包括50个物种，然后实施到多维计算流体力学的代码，这是可以在这个代码中注册的最大数目。这个流利的预测是在良好的协议与那些从封闭的，恒定的量。
绝热条件：当在非绝热壁时被假定，FLUENT计算说明温度梯度的发展，导致反应速率的空间差异。在特别是反应是能够更迅速地发展在压缩气体温度下的边界层区域对应于该区域的负温度依赖性的点火延迟，从而导致在绝热条件下预测的整体点火延迟的减少。点火本身是在这些情况下的边界层开始。
版权2012由Elsevier出版公司保留所有权利。
- 引言
环己烷是一种重要的替代化合物。在运输燃料的环烷烃的使用。环烷烃是汽车燃料的主要成分，有多达3%的汽油，从15%至70%在煤油和35%柴油有潜在的环己烷和紧密相关物质的自燃危险性，在化工流程工业中也有一些值得关注的问题。作为贡献，了解动力学，发动机相关
已经在一个快速的点火实验研究完成压缩机在压缩气体温度范围670，870钾和动力学研究已经完成了一个完美的搅拌，等温反应器在807和1050。数值从这些研究中，详细的化学建模导致烟灰形成的特点也被环己烷及其取代衍生物的火焰研究。
本论文的目的是探讨的优点和成功的减少动力学模型，是适合注册成立数值计算流体力学（计算流体力学）规范内燃机燃料性能的研究均质压燃点火的具体参考（HCCI）或可控自燃（CAI）。自一个主要在燃烧的发展中的利益在于点火HCCI发动机的延迟，这里主要强调的是预测的点燃时间在一个范围内的压缩气体温度和压力。在这项研究中，我们首先比较预测的点火在一系列的条件下使用动力学方案，降低复杂度的环己烷燃烧。然后，我们申请最简单的这些计划在测试涉及计算流体力学代码。
最有效的商业计算流体力学软件包已经被设计为模型流体流动和相对复杂的传热传质几何形状，但相对简单的燃烧过程。在这种情况下ANSYS Fluent（以下简称流利）比较复杂的化学可以使用用户定义的函数和子程序。这就是为什么我们选择了这个包。我们相信，我们的论文中得到的结果打开方式使用流畅的考虑传统的流体相对复杂几何形状的动力学和传热/传质，同时考虑相对复杂的影响燃烧过程。
作为第一步比较零维计算和与绝热边界的计算流体力学模拟，并避免差异。在压缩阶段，模拟已经完成。 考虑到域在“上止点”（TDC）使用CFD软件耦合化学反应机理。这是一个模拟涉及的重要前奏，用于加热和质量传输的复杂流场，因为它是必不可少的。
要相信一个多维代码能够复制一个专门的化学动力学分析的结果定量方式，当多维的数值复杂度流量是由封闭容器的假设。这个在里尔的快速压缩机实验的基础上进行的研究。
下面介绍的实验，其中数值结果涉及我们描述了动力学模型研究
和数值背景。并预测零维冲刺码和多维流畅码结果，然后介绍了有关进化的不同阶段，气体温度和压力。最后，总结主要论文结果。
- 里尔快速压缩机
里尔高速压缩机的研究已经在此前多次描述了环己烷自动点火，这是一个单一的镜头系统中的一个活塞驱动的气动高压空气压缩。汽缸里的装置有一个机械连接装置，它的目的是控制活塞的速度，并将其锁定在在上止点的最终位置。
压缩行程为200毫米，为圆柱腔。直径50毫米，在20毫米的间隙，TDC压缩比例为9.2。该机的设计使最初压力在腔室中的变化多达0.5条，给予压缩气体压力高达14巴，在一个范围内的温度为650——900钾（即170摩尔立方米的压缩气体密度）压缩气体温度变化的比例变化一种氮氩/二氧化碳混合气体，为非活性稀释剂，在为了控制碳c (=cp/cv)。环己烷的实验在化学计量的混合物在“气体”（U = 1）。在自然中在机械系统的压缩行程（60毫秒）是有点比在最快速的压缩机器，在热损失的潜力压缩行程中，这可能有一定的缺点。此外，具有相对较低的活塞速度（0.33米S1）和具有高反应性的组合物的反应可能开始之前活塞已经达到了它的终止点，虽然没有反应产物可以在[ 9 ]中所描述的实验中压缩结束时检测到。然而，较低的活速度有一个优点是压缩速度降低，引起明显的气体运动比下面的一个更快速压缩行程。特别是，当一个平面活塞头是使用，有远小于的范围内，诱导卷起涡和在压缩结束时发展的复杂温度[ 10 ]。作为一个后果的更良性的性质的压缩，里尔研究小组解释了这一行为的行为：压缩气体在绝热过程中受温度控制核心在整个后压缩间隔[ 9 ]。然而，有一些解释可能会有些模棱两可，因为慢压缩比从一个快速的运动产生更少的流体运动压缩，因此，也有较厚的边界层。
- 综合化学机理与模型降方法
除在最简单的情况下，减少综合用于燃烧问题的动力学模型是必要的，因为细节和复杂性的模型（包括数百种化学物种和数以千计的的反应），使其计算应用程序效率不高，甚至不可行，当补充能量热质传递或气体运动等过程也是模拟中的具体体现。计算时间为：从给定大小的机制得到一个数值解通常/氮气，在这里，N是物种数，n正是反应的数量。
减少反应种类和反应次数失去了预测所需信息的定量能力，形式化的数学方法是必需的，在那里，一种格式中的自动程序被合并在这是广泛适用的。最常用的格式为代表。该机制包括：热力学数据的形式，14个美国航空航天局多项式系数为每个化学物种和反应和相关的阿伦尼乌斯参数列表。机制在一个标准的CHEMKIN格式在这种环境中，模型保留任何兼容性和质量平衡计算基于软件中。减少过程的评估和验证是正常的，在一零维环境（如空间统一化学反应器。这使气体运动，无论是故意在实际情况下自然对流引起的或引起的，被忽视和（如适当的话）热从系统的传输，其特征是由牛顿热传递系数。减少的机制必须在减少的各个阶段，这是通过比较从综合机制获得的预测。定量协议的精度减少和完整的模型被建立成为一个决定性因素。在减少的程度中可以实现。这是控制通过不同的阈值测试。总体目标成为
计算效率与再现精度的平衡的模型输出的。
为减少动力学模型的基础是叫“本地灵敏度，我们分析了参数的变化对参数的影响或系统的其他变量的大小的变量研究。扰动的影响先后应用于每个变量（例如，每个物种的浓度变化如何影响产品生成率可以被量化和排名）重要的是，这样的阈值可以被应用到决定哪种（或反应）可以被丢弃[ 12 ]。方案不同尺寸可以很容易地根据所需的不同而发展。最终应用的准确性。有一系列的软件可供使用，如kinalc [ 13 ]，这是基于CHEMKIN的家庭。数字代码[ 11,14 ]。
进一步减少可能是通过削减，通过应用程序在系统中存在的时间尺度范围。J.F.格利菲斯等人在96（2012）192 - 193 - 203准稳态近似（QSSA）结合反应，结块[12,13]。QSSA方法机理还原反应在一个非常短的时间尺度上的物种局部平衡与物种的浓度，在一个更慢的时间尺度上有所不同，所以导致了一个假设“instantaneous平衡”。这些拟定的浓度状态（QSS）物种可以被确定（好的近似）从局部代数表达式，而不是微分方程。通过设置QSS导出的代数表达式生产到零的种类。
节省大量的计算可以在QSS物种是通过反应结块[ 15 ]删除，其中中间体被淘汰，通过改变一组反应，一个单一的反应只涉及反应物的产品。速率常数集总的反应将是其他的代数组合率参数和中间物种的浓度和衍生后的QSSA应用。由此产生的方案不那么符合CHEMKIN配方以来，反应速率不再是“arrhenius”形式。不过,质量平衡是保留在方案和简单的子程序描述的化学速率方程可以自动发展恢复兼容性的储蓄，在淘汰的物种数，使这一个有价值的程序。如果任何的QSS物种浓度的需要，他们可以再生使用适当的代数表达式，虽然通常只有主要的产品和温度是必需的。
在本案中，全面的动力学机制环己烷燃烧自动使用EXGAS生成[ 16 ]，所以规避费力和容易出错的过程人工施工。最初的计划包括499种可逆反应和1298个不可逆反应的种类（共有2323个反应）。全面环己烷动力学方案降低基于时间尺度的技术，如上所述，通过104个物种和541个不可逆反应方案，以减少机构包括68个必需的物种在493个不可逆反应。
然后，利用主成分分析，反应的数量成功地减少了一种机制，包括68个必要的物种和238个不可逆反应[ 17 ]。还原过程在初始温度下实现约700克的顺序封装的动力学细节，在整个整个点火温度范围中。
还提出了进一步减少该计划的应用。
准稳态假设分析，这产生了一个机制，包括45种
在323个不可逆反应[ 17 ]和，最终，35种在238类型的反应。然而，如上所述，有问题实施机制，包括QSSA物种，一种计算流体力学的代码，除非每一个复杂的代数方程准稳态假设物种嵌入在动力学数据集进行解释。功能形式通过一系列的arrhenius 代表参数。
为了避免这种固有的应用程序的要求，准稳态假设的方案，对一些必要的进一步减少。种是实施从68个物种计划（即之前在准稳态假设应用）相结合的系统灵敏度分析，得到56个物种在196个反应，其次
未成年人，中间物种的经验消除，只涉及一对形成/去除反应。这个
所产生的计划，在目前的工作中，包括50个品种。参与143个不可逆反应。采用的动机在这一机制的最后阶段是我们使用了一口流利的
汽车点火过程的多维建模在RCM。这个代码有50个物种的物种运输的限制模型，质量平衡被保留在该计划中。在整个开发和实施之前，每
机构经常被操纵，mechmod [ 18 ]，这是一个非常有用的模块，验证了没有错误。创建在质量平衡或格式的二进制代码和创建，数据集的指定单位的机制。mechmod也使反向反应速率数据的推导从热力学参数。程序可以访问。通过[ 18 ]，是自我解释。
- 计算：零维冲刺码
这里给出的计算结果，根据全面和减少化学机制所描述的部分3、使用冲刺码[ 19 ]。建立了模拟对里尔的RCM的条件（见2节），假设绝热条件。
4.1.代码描述
冲刺解决耦合微分方程描述每种化学物质和能量的浓度变化率
保护。浓度变化的化学转化率给出了：
这里是是我的物种浓度，维吉是化学计量我的物种在反应J和RJ jth反应系数率。反应温度计算为（我 1）钍物种
通过物种的热容量。在一个封闭的容器中的反应的能量守恒
按：
在变化率中，变化率是以恒定容量的热量，多人是内部能源反应，体积，反应器的表面积，是传热系数助教是环境温度，是密度。在适当的情况下，热损失率计算的基础上穿过墙壁的牛顿冷却。你被设置为零的绝热计算。流入和流出的质量和能量方面是添加CSTR系统的应用。可以选择代码的输出，作为温度，压力和物种分布，或热释放的反应速率。
在快速压缩机中的反应模拟，能量方程包含补充条款来表示，基于规定活塞速度的理想绝热压缩，冲程和压缩比。零维计算只需达到适当的压缩气体温度和压力，来自一个压缩实证的，固定的价值输入的，而不是通过一个完整的计算，基于反应物的温度依赖性的热容量混合物。充分利用适当的热容量热动力学计算。方程（2）耦合到模拟压缩冲程通过增加气体温度，气体个别组件的密度和热容量，所以在这个过程中的反应的预测是启用。
在何种情况下被认为是非绝热反应，在后的压缩间隔的热损失可以
通过牛顿传热模拟指数衰减项。这一提法是因为实验压力衰减的非反应性。一旦活塞停止，总是显示一个高度非线性的，在早期，后压缩间隔的衰减率（DT＜10毫秒），由于腐烂的气体运动所设立的动活塞。
4.2.冲刺模拟的结果
任何减少计划的性能的评估涉及它的反应，相对的全面计划都是从中派生的。然而，它是有用的和有益的，要包括与相关的实验结果的比较，如果可用。从南希全面预测的总延迟机制[ 16 ]，我们自己的计算结果，使用相同里尔快速压缩的机理及实验结果机（RCM）如图1的比较。这两种模拟结果是基于这样的假设，该过程是绝热的。这个
压缩气体温度（标准）作为参考温度。
我们的计算结果和那些由南希组[ 16 ]有很好的联系（图1）。这是一个重要的基础，鉴于不同的数字代码已被用于模拟。然而，数值结果相差很大。从实验数据，特别是在整个范围内，负温度依赖性（或负温度系数，NTC）政权，这可能归因于局限性零维计算耦合
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