一种柴油/聚甲氧基二甲醚替代燃料反应机理模型的构建及简化方法

本发明属于发动机燃烧过程的计算机模拟，具体涉及一种柴油/聚甲氧基二甲醚替代燃料反应机理模型的构建及简化方法

背景技术：

1、燃烧是目前最主要的能源利用方式之一，在交通运输、工业生产、电力供应及国防等领域发挥着重要作用。当前全球仍有超过80%的能源通过燃烧过程获得。然而，传统化石燃料燃烧过程中会产生氮氧化物、碳烟颗粒以及未完全燃烧产物等污染物，对环境和人体健康造成不利影响。因此，提高燃烧效率并降低污染物排放已成为燃烧领域的重要研究方向。

2、随着排放法规日益严格以及能源利用效率要求不断提高，开发高效、清洁的新型燃料逐渐成为研究热点。聚甲氧基二甲醚（pode）具有高十六烷值、高含氧量、低碳烟排放等特点，被认为是一种具有良好应用前景的柴油替代燃料或柴油添加剂。通过将pode与传统柴油燃料掺混，可以改善燃烧过程并降低污染物排放，关于pode掺混传统燃料的实验研究较多，但可用于pode掺混柴油燃料燃烧数值模拟相关动力学机理研究相对较少，因此开发可靠的动力学模型具有重要意义。

3、燃料燃烧过程本质上是由大量化学反应组成的复杂体系。为了揭示燃烧机理并预测燃烧特性，研究人员通常建立燃料燃烧化学动力学机理，并利用数值模拟开展燃烧过程研究。由于真实柴油由数百种甚至上千种烃类化合物组成，直接建立真实柴油的化学动力学机理十分困难，因此通常采用替代燃料的方法描述柴油燃烧过程。柴油替代物的发展经历了由单组分正庚烷、异辛烷，到双组分替代物，再到三组分或更多组分的替代物的发展过程。随着对燃烧效率和污染排放研究要求的不断提高，构建能够同时表征传统柴油与清洁含氧燃料特征的多组分替代燃料机理具有重要意义。

4、为了尽可能准确描述燃料燃烧过程，详细化学动力学机理通常包含大量物种和反应步骤，其规模往往达到数百甚至上千个物种以及数千种反应。虽然详细机理能够获得较高的模拟精度，但将其直接用于多维计算流体力学（cfd）模拟时会产生巨大的计算量，同时还会因反应时间尺度跨度较大而导致明显的刚性问题。因此，需要对详细机理进行简化，在保证模拟精度的前提下有效降低机理规模，从而提高数值模拟效率并满足工程应用需求。

5、目前，机理简化领域已经发展出直接关系图法、敏感度分析法等多种简化方法。不同简化方法采用不同的重要性评价准则，对关键物种和反应路径的识别结果存在差异，因此不同方法得到的简化结果具有一定的局限性，且对目标参数、工况范围等具有一定依赖性。现有机理简化研究多以点火延迟时间作为主要评价指标，对于多种燃烧特性的协同约束相对有限，会出现无法兼顾不同研究目标的问题。

6、目前采用的机理简化方法中，当简化机理在部分工况下出现预测误差时，通常通过重新调整简化条件、修改简化阈值或优化反应速率参数等方式进行修正。然而，上述优化过程通常需要结合不同工况下的预测结果，对误差来源进行分析，并多次调整相关参数，优化过程具有较强的经验依赖性，难以提高机理修正效率。建立一种具有普适性且无经验依赖性的机理构建与简化流程具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明提供了一种柴油/聚甲氧基二甲醚替代燃料反应机理模型的构建及简化方法。该方法旨在保证机理模拟精度的基础上有效降低机理规模，并通过一种误差优化思路提高简化机理对多种燃烧特性的预测能力，从而提高数值模拟计算效率。

2、本发明的目的之一是提供一种柴油/聚甲氧基二甲醚替代燃料反应机理模型的构建及简化方法，

3、包括如下步骤：

4、步骤1、以trf-pah柴油替代物机理和poden化学动力学机理为基础，构建详细的初始机理；

5、步骤2、分别采用多种drg类机理简化方法，设置多组燃料对初始机理进行简化，并以点火延迟时间预测误差及机理规模作为评价指标，对不同简化方法得到的结果进行比较分析，筛选出最优简化方法，采用最优简化方法对步骤1所得初始机理进行简化，获得一次简化机理，并通过单组分、多组分以及多工况条件下的点火延迟时间验证其着火特性预测能力；

6、步骤3、在步骤2所得一次简化机理基础上，通过采用敏感度分析法，多组燃料下对机理进一步简化，通过删除低敏感度物种及相关反应，再次减小机理规模，得到二次简化机理；

7、步骤4、对步骤3所得二次简化机理存在较大误差的模拟目标参数进行优化，得到优化机理；优化方法如下：首先，把敏感度分析法删除的物种构建为重要物种备选集合；其次，采用二分法将备选物种集合中的物种以及相关反应逐步恢复至二次简化机理，对机理进行重构并进行目标参数的验证，筛选出对目标参数影响较大的重要物种；

8、步骤5、对步骤4得到的优化机理进行全面验证，采用同步骤4中相同的优化方法，对层流火焰速度模拟误差进行优化，通过识别、补回并验证的流程，精准识别到被删除的误差来源物种，将被删除的误差来源物种及相关反应补回优化机理，得到最终简化机理。

9、作为优选方案，所述步骤1中，将trf-pah柴油替代物机理中的正庚烷、异辛烷和甲苯机理三部分子机理筛选出来；然后将筛选得到的三部分子机理与poden机理耦合，删除重复物种和反应，得到初始机理。

10、作为优选方案，所述步骤2中，通过实验数据，对点火延迟时间进行验证，验证对象包括单组份、双组分和三组分，其中单组份为正庚烷、异辛烷、甲苯或pode3中的一种；双组分为正庚烷加异辛烷或正庚烷加甲苯中的一种；三组分为正庚烷、异辛烷和甲苯。

11、作为优选方案，所述步骤3中，通过敏感度分析法删除机理中的低敏感度物种及反应，用得到的机理进行模拟；然后将模拟数据与实验数据进行对比，从而验证敏感性分析简化的机理模拟与实验数据的一致性,所述模拟数据包括点火延迟时间、层流火焰速度和重要组分物种浓度。

12、作为优选方案，所述步骤4中，所述优化方法具体如下：

13、首先，通过目标参数误差反馈确定误差来源，把从一次简化机理到二次简化机理的简化过程中被识别为冗余并删除的物种构建一个重要物种集合；

14、其次，采用逐步恢复、验证及筛选的方法，采用二分法将备选重要物种集合中的物种及相关反应分批恢复至二次简化机理中，对机理进行重构及验证，通过比较补充了物种及相关反应后的机理在点火延迟时间及层流火焰速度上的预测结果，识别出对研究目标具有重要影响的关键物种及相关反应，完成误差优化，以得到优化机理。

15、作为优选方案，所述步骤3中，采用机理简化程序reaxred对一次简化机理进一步简化，得到二次简化机理。

16、本发明的目的之二是提供一种柴油/聚甲氧基二甲醚替代燃料反应机理模型，采用上述任一项所述的反应机理模型的构建及简化方法得到。

17、作为优选方案，所述反应机理模型包含121个物种和548种反应。

18、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

19、其一，本技术采用目前发展较为成熟的传统燃料替代物机理和pode机理为基础，构建并简化出一个新的结构紧凑且可直接用于cfd模拟的化学动力学模型，可为传统燃料添加清洁燃料发展提供可靠的动力学模型基础。简化过程中通过采用多组分、多条件以及多目标参数进行广泛验证，提高了简化机理的宽工况适用性。简化过程中，不仅仅依赖于常规简化方法，而是通过提出一种关键物种及相关反应识别补回的误差优化思路，在保证机理较低尺寸的目标下，提高机理模拟精度。本技术构建并简化得到化学动力学模型在保证模拟精度的前提下具有较小尺寸，可直接用于cfd数值模拟。本发明的简化过程不同于常用简化程序chemkin pro中一次只能对一组燃料进行简化，本简化流程依赖于reaxred机理简化程序，该程序可实现多组燃料同时进行简化，可大幅节省简化时间，提高简化效率。

20、其二，本技术的简化方法中，提出一种关键物种筛选补回的误差优化思路，可在几乎不影响简化机理规模的同时，大幅降低模拟误差。本技术的完整简化流程与常规简化方法不同，加入的优化思路具有普适性。通过该误差优化思路，建立了误差反馈、精准识别误差来源、补回物种及相关反应优化误差的闭环流程，可辅助常规简化方法使用，在简化方法中加入该优化措施，能够快速分析误差来源，有效减小误差。本方法中的误差反馈定向优化并验证的思路具有普适性，不依赖研究的燃料体系以及研究人员的经验，适用于drg、pfa等各种简化方法的后处理优化步骤，在确定需要优化的目标参数后，在不同简化方法之间构建关键物种集合，然后进行上述优化即可。本技术中识别误差来源，减小误差的优化方法完全不依赖经验，只需要将被简化方法识别为冗余物种的物种建立一个物种集合，通过筛选该集合中的重要物种，并将其中的重要物种及相关反应补回到简化机理中，验证补回后的机理模拟表现即可。（现有常规简化方法如drg等在简化过程中，可以通过调整阈值、调整模拟条件以及优化反应速率参数等措施来优化简化机理模拟精度，但部分方法需要依赖研究人员的经验。）

21、其三，本发明通过该方法识别的关键物种，可为后续深入研究不同目标参数之间的相互作用奠定基础。比如当加入c5h10（1-戊烯）和nc3h7co(正丁酰自由基)时，虽然改善了正庚烷和甲苯的点火延迟时间，但却影响了异辛烷的层流火焰速度。