一种内燃机替代燃料二甲醚燃烧反应机理模型的简化方法与流程

本发明属于内燃机燃烧过程的计算机模拟技术领域。涉及燃烧反应机理模型的简化方法。更具体是涉及一种内燃机替代燃料二甲醚(pode)燃烧反应机理模型的简化方法。

背景技术：

目前，对内燃机排放和燃烧效率的确定主要有两种方式，一种是通过内燃机实验台架对内燃机的排放和性能进行测量，这种方法结果可靠，对精度要求高的是极具指导意义的优点，但是其成本高昂，花费时间较多，并不适合在内燃机整个开发流程中使用。另一种则是对内燃机工作过程进行数值模拟，通过计算机三维仿真对内燃机工作过程进行研究，这种方法能够明显缩短产品开发周期、减少实机试验次数、降低产品开发成本等优点，是一种重要的研究方法。但是在对涉及多组分和庞大基元反应数目的燃烧过程数值模拟时会存在计算效率低下的问题，而极度简化的一步或两步经验燃烧模型由于对燃烧过程的描述不足，无法保证计算的准确性。因此碳氢燃料的燃烧机理的简化成为了燃烧领域的重要研究方向。

现阶段，燃烧的机理简化主要有两大类：第一类则是减少基元反应的数量进行，第二类方法则是减少反应动力学模型中的组分，如直接关系图法，直接关系图辅助的敏感性分析法等。在反应动力学模型较大的情况下，两种方法一般相互配合使用，即第一阶段先筛选组分进行简化，第二阶段则进行减少反应动力学模型中的组分进行，最终达到简化的目的，可以参考的文献：adirectedrelationgraphmethodformechanismreduction；strategiesformechanismreductionforlargehydrocarbons:n-heptane。

上述二甲醚(pode)燃烧机理简化的方法虽然可以大幅减少燃烧反应的机理，但是对于数值计算而言，其简化得到的结果仍然存在不足，上述方法得到的简化机理对于特殊情况下，尤其是在发动机中的燃烧情况的适用性并不理想，特别是在大组分的机理应用条件下，其效果较差。这种情况会严重影响表征燃料燃烧过程中重要的基元反应和主要的反应路径，简化的幅度大，则机理的不确定性高，因此，上述的方法简化得到的简化机理不能达到反应的最好效果。

技术实现要素：

本发明目的是针对上述问题，提供一种内燃机替代燃料二甲醚(pode)燃烧反应机理模型的简化方法。

本发明的方法克服了现有技术中内燃机燃烧过程数值模拟时会存在计算效率低下的问题，弥补了上述问题的不足，此方法在保证计算精度基础上减少组分以及基元反应数目，提高内燃机工作过程数值计算效率，对缩短内燃机产品开发周期，降低开发成本具有重要的意义。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种内燃机替代燃料二甲醚燃烧反应机理模型的简化方法，包括以下步骤：

步骤一：确定好可接受的误差，设置阈值，将二甲醚、o2和n2设置为起始物质；取当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm。在反应中，对比各组分的贡献率。组分b对组分a生成的贡献率rab可表示为：

kfi＝[aitⁿⁱexp(-ei/rt)]fi

其中，下标i和j分别表示第i个基本反应和第j个物种，va,i为a的化学计量系数，ωi为生产速率，kfi和kbi分别是正向和逆向的反应速率，cj是摩尔浓度，v'ij，v”ij分别正反应和逆反应的化学计量系数，ai为频率因子，t为温度，ei是化学反应的活化能fi是校正系数，δbi取值为：

对比耦合关系，把影响力小的删除掉，耦合关系。再通过这些起始物质来判断其他中间产物与起始物质的耦合关系，最后去除非耦合组分，二甲醚燃烧一级骨架机理模型。

步骤二：利用上一步获得的二甲醚的一级骨架机理模型，在条件为当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm下，利用敏感性分析法进行简化。参与反应的物质浓度变化受反应速率常数的影响程度，其绝对敏感性和相对敏感性可以定义为：

和

从式中可以看出若ei,r或者越大，说明第i个物质的浓度受第r个反应的影响越大。因此，如果ei,r或者较小，说明第r个反应对第i个物质来说，不是重要反应，可以从反应系统中剔除。获得二甲醚燃烧的二级骨架机理模型

步骤三：根据步骤二得到的二级骨架机理模型，当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm。导入chemkin软件，采用同分异构法进行简化，获得二甲醚燃烧的三级骨架机理模型。

步骤四、具体内容和步骤如下：

第一步:根据步骤三得到的三级骨架机理模型在条件为初始温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5下。在chemkin中读取简化后的机理基元反应的化学计量系数和阿伦尼乌斯系数，生成excel文档保存到简化程序所在文件夹中以便读取。然后在chemkin中采用简化机理进行计算，计算完成后运行getsolution命令对计算结果进行处理，得到反应过程中的时间、温度和组分浓度参数，保存为ckcsv表格数据文件，同样保存到简化程序所在文件夹中。

第二步：在matlab读取包含详细机理基元反应化学计量系数和阿伦尼乌斯系数的excel文档，生成对应的化学计量系数矩阵和反应速率向量，并得到反应系统组分向量y和组分反应速率向量g的表达式，从而获得雅克比矩阵。

第三步：读取包含了组分浓度的ckcsv文件，将所感兴趣的时间点的组分浓度带入雅克比矩阵中并求取此时的雅克比矩阵的特征值和特征向量，根据特征值判断此时快速反应模式的个数m，并将特征向量作为基向量考虑。

第四步：运用两步修正方法对尝试基向量进行修正，通过对尝试基向量的修正使雅克比矩阵的对角化程度大大提高，从而实现对快慢模式的分离。

第五步：根据修正的基向量求得快速空间映射矩阵并确定准稳态组分，根据识别出的准稳态组分可以获得对应的快速反应，将准稳态组分和快速反应从整个反应系统中剔除，从而获得二甲醚燃烧的四级骨架机理模型。

步骤五：根据步骤四得到的二甲醚燃烧的四级骨架机理模型，在初始温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5下，使用扩散物质捆绑法进行简化，在粒子捆绑的情况下，扩散项的计算进行二次加速，在多种骨架机制中，精确描述扩散模型需要小于更少的扩散物种，而在较小的二甲醚(pode)机制中，需要小于10种扩散物种。通过chemikin软件发现最终简化的反应机理大约是详细机理的十分之一，简化后获得最终的二甲醚燃烧简化机理模型为18种组分、116种反应式。

步骤六、具体内容和步骤如下：

第一步：把二甲醚燃烧的简化机理模型文件导入到chemkin的反应器中。

第二步：设条件为温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5，在chemkin中运行得到的层流火焰、点火延迟execl表格数据。

第三步：把二甲醚的详细的机理文件导入到chemkin的反应软件中。

第四步：设条件为温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5，在chemkin中运行得到的层流火焰、点火延迟execl表格数据。

步骤七：根据得到二甲醚最终的简化反应机理模型和详细反应机理模型在设定条件下的层流火焰、点火延迟时间数据，对数据进行作图对比，检查数据图形所呈现出来的趋势是相同的，误差是否在10％内，如果是，所获得的二甲醚的简化反应机理模型是可取的。如果不是，则回到步骤一，调整阙值，检查步骤，再重复一次所有步骤。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明综合多种简化方法对二甲醚(pode)的详细机理模型进行简化，能够避免传统单一方法在简化过程中出现不精确地删除组分的现象。通过直接关系图法化学反应机理简化方法对二甲醚(pode)燃料里的组分进行甄别、筛选、剔除不重要的文件，最大程度的使模型得到简化，获得简化的骨架机理。再通过敏感性分析法化学机理简化方法获得基元的全局敏感性分析，并与同分异构法相结合，可以最大限度的消减反应中组分的数量，再通过计算奇异摄动法和扩散物种捆绑法进行简化，使得简化模型的结果与详细机理模型的结果之间的误差尽量减少，本发明可以在机理模型简化的过程中进行调整，最大程度的保证模型的可靠性与准确性。数值模拟结果所表征的与燃烧性质相关的参数主要伟点火延迟时间、和层流火焰等数据的变化。详细机理模型当中的采样数据为上述过程提供依据，在误差允许的范围内，亦可将采样数据增多或者减少，以提供更加合适点火延迟时间，层流火焰数据等数据。

附图说明

图1为本发明的简化方法流程图；

图2为直接关系图法(drg)中物种之间的典型关系图；

图3为计算奇异摄动法(csp)方法简化流程图；

图4为点火延迟图；

图5为层流火焰图。

具体实施方式

为了让本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图和具体实施例，进一步对本发明进行详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施仅用于解释本发明，而并不用于限定本发明。

附图1-图3所示，本发明的一种内燃机替代燃料二甲醚(pode)燃烧反应机理模型的简化方法，具体步骤如下：

步骤一：确定好可接受的误差，设置阈值，将pode3、o2和n2设置为起始物质；取当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm。通过直接关系图法(drg)确定两组分之间的耦合程度。

在反应中，物质b对物质a的生成或消耗有直接影响。则组分b对组分a生成的贡献率rab可表示为：

kfi＝[aitⁿⁱexp(-ei/rt)]fi

其中，下标i和j分别表示第i个基本反应和第j个物种，va,i为a的化学计量系数，ωi为生产速率，kfi和kbi分别是正向和逆向的反应速率，cj是摩尔浓度，v'ij，v”ij分别正反应和逆反应的化学计量系数，ai为频率因子，t为温度，ei是化学反应的活化能fi是校正系数，δbi取值为：

对比耦合关系，把影响力小的删除掉，耦合关系(如图2所示)。再通过这些起始物质来判断其他中间产物与起始物质的耦合关系，最后去除非耦合组分，二甲醚燃烧一级骨架机理模型。

步骤二：利用上一步获得的二甲醚的一级骨架机理模型，在条件为当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm下，利用敏感性分析法进行简化。参与反应的物质浓度变化受反应速率常数的影响程度，其绝对敏感性和相对敏感性可以定义为：

和

从式中可以看出若ei,r或者越大，说明第i个物质的浓度受第r个反应的影响越大。因此，如果ei,r或者较小，说明第r个反应对第i个物质来说，不是重要反应，可以从反应系统中剔除。获得二甲醚燃烧的二级骨架机理模型

步骤三：根据步骤二得到的二级骨架机理模型，当量比为phi＝0.5～1.5，温度为700k～1600k，压力为1atm～50atm。导入chemkin软件，采用同分异构法进行简化，获得二甲醚燃烧的三级骨架机理模型。

步骤四、具体内容和步骤如下：

第一步:根据步骤三得到的三级骨架机理模型在条件为初始温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5下。在chemkin中读取简化后的机理基元反应的化学计量系数和阿伦尼乌斯系数，生成excel文档保存到简化程序所在文件夹中以便读取。然后在chemkin中采用简化机理进行计算，计算完成后运行getsolution命令对计算结果进行处理，得到反应过程中的时间、温度和组分浓度参数，保存为ckcsv表格数据文件，同样保存到简化程序所在文件夹中。

第二步：在matlab读取包含详细机理基元反应化学计量系数和阿伦尼乌斯系数的excel文档，生成对应的化学计量系数矩阵和反应速率向量，并得到反应系统组分向量y和组分反应速率向量g的表达式，从而获得雅克比矩阵。

第三步：读取包含了组分浓度的ckcsv文件，将所感兴趣的时间点的组分浓度带入雅克比矩阵中并求取此时的雅克比矩阵的特征值和特征向量，根据特征值判断此时快速反应模式的个数m，并将特征向量作为基向量考虑。

第四步：运用两步修正方法对尝试基向量进行修正，通过对尝试基向量的修正使雅克比矩阵的对角化程度大大提高，从而实现对快慢模式的分离。

第五步：根据修正的基向量求得快速空间映射矩阵并确定准稳态组分，根据识别出的准稳态组分可以获得对应的快速反应，将准稳态组分和快速反应从整个反应系统中剔除，从而获得二甲醚燃烧的四级骨架机理模型，简化流程图如图3所示。

步骤五、具体内容和步骤如下：

第一步：根据步骤四得到的二甲醚燃烧的四级骨架机理模型，在初始温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5下，使用扩散物质捆绑法进行简化。

第二步：在粒子捆绑的情况下，扩散项的计算进行二次加速，在多种骨架机制中，精确描述扩散模型需要小于更少的扩散物种，而在较小的二甲醚(pode)机制中，需要小于10种扩散物种。通过chemikin软件我们发现最终简化的反应机理大约是详细机理的十分之一，简化后获得最终的二甲醚燃烧简化机理模型为18种组分、116种反应式。

步骤六、具体内容和步骤如下：

第一步：把二甲醚燃烧的简化机理模型文件导入到chemkin的反应器中。

第二步：设条件为温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5，在chemkin中运行得到的层流火焰、点火延迟execl表格数据。

第三步：把二甲醚的详细的机理文件导入到chemkin的反应软件中。

第四步：设条件为温度为700～1600k，压力为1～50atm，当量比为0.5～1.5，在chemkin中运行得到的层流火焰、点火延迟execl表格数据。

步骤七、具体内容和步骤如下：

第一步：根据得到二甲醚最终的简化反应机理模型和详细反应机理模型在设定条件下的层流火焰、点火延迟时间数据，

第二步：对数据进行作图对比，检查数据图形所呈现出来的趋势是相同的，误差是否在10％内，如果是，所获得的二甲醚的简化反应机理模型是可取的。如果不是，则回到步骤一，调整阙值，检查步骤，再重复一次所有步骤。参考对比图参见图4:点火延迟图，图5：层流火焰图。

最后说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。