機(jī)理簡(jiǎn)化的案例
chemkin中高碳烷烴的機(jī)理簡(jiǎn)化研究
關(guān)鍵詞：機(jī)理簡(jiǎn)化；DRGEP簡(jiǎn)化，DRG簡(jiǎn)化，封閉零維模型，誤差分析
本案例主要介紹通過(guò)零維模型計(jì)算高碳烷烴的燃燒特性，再對(duì)烷烴機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化。封閉零維模型主要包括了以下幾種：1. Closed Internal Combustion Engine Simulator，模擬封閉的內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒情況；2. Closed Homogenous Batch Reactor，模擬封閉的全混同性反應(yīng)器，包括定壓、定容反應(yīng)器；3. Closed Partially Stirred Reactor(PaSR)，模擬封閉的部分混合的反應(yīng)器；4. Closed Plasma Reactor，模擬封閉的等離子體反應(yīng)器。為了節(jié)省計(jì)算資源的占用，選擇Closed Homogenous Batch Reactor進(jìn)行計(jì)算
主要操作步驟如下，首先建立反應(yīng)器模型，封閉零維模型不包括進(jìn)口出口，反應(yīng)器如下。根據(jù)實(shí)際工況條件，設(shè)置溫度壓力等參數(shù)。值得注意的是高碳烷烴的層流燃燒速度較低，反應(yīng)器的溫度要設(shè)置的高一點(diǎn)，才能達(dá)到引燃燃料的條件要求。
圖1 反應(yīng)器模型搭建
為了設(shè)置多工況條件，在反應(yīng)器物性參數(shù)設(shè)置右邊點(diǎn)擊加號(hào)設(shè)置，可以設(shè)置不同工況條件。
圖2 反應(yīng)器設(shè)置
封閉零維模型通常會(huì)計(jì)算的比較快，計(jì)算結(jié)束后打開(kāi)workbench界面進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。
圖3 機(jī)理簡(jiǎn)化設(shè)置
簡(jiǎn)化方法選擇DRGEP和DRG簡(jiǎn)化，設(shè)置好計(jì)算誤差后開(kāi)始簡(jiǎn)化
圖4 機(jī)理簡(jiǎn)化方法和誤差設(shè)置
軟件計(jì)算出簡(jiǎn)化的機(jī)理。
圖5機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果
通過(guò)零維模型進(jìn)行計(jì)算，再運(yùn)用DRGEP和DRG的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出了比較理想的計(jì)算結(jié)果。簡(jiǎn)化機(jī)理能運(yùn)用于其他工況的燃燒計(jì)算，極大的簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。
展開(kāi) 燃燒模擬軟件Chemkin課程培訓(xùn)通知
四、培訓(xùn)內(nèi)容
針對(duì)Chemkin軟件的常用模塊進(jìn)行教學(xué)，包括不僅限于層流燃燒速度計(jì)算模型，均質(zhì)燃燒模型、預(yù)混燃燒模型等，同時(shí)介紹Chemkin中的機(jī)理簡(jiǎn)化及耦合模塊使用功能。具體內(nèi)容如下：
1、燃燒核心參數(shù)的計(jì)算
(1) 層流燃燒速度
(2) 點(diǎn)火延遲
(3) 燃燒產(chǎn)物密度
(4) 火焰結(jié)構(gòu)
2、敏感性分析
(1) 重要基團(tuán)物質(zhì)敏感性分析
(2) 溫度敏感性分析
(3) 產(chǎn)熱敏感性分析
(4) 化學(xué)反應(yīng)路徑
3、機(jī)理簡(jiǎn)化
(1) 機(jī)理簡(jiǎn)化方法介紹
(2) 簡(jiǎn)化目標(biāo)參數(shù)選擇
(3) 骨架機(jī)理優(yōu)化
五、相關(guān)案例
案例1：層流燃燒速度驗(yàn)證機(jī)理。通過(guò)對(duì)比參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)真仿真計(jì)算的可靠性。
圖1 層流燃燒速度模型
圖2 反應(yīng)機(jī)理驗(yàn)證
圖3 多工況條件計(jì)算
案例2：點(diǎn)火延遲計(jì)算。計(jì)算不同工況條件下點(diǎn)火延遲時(shí)間，分析不同溫度壓力條件對(duì)點(diǎn)火延遲的影響
圖4 均勻攪拌燃燒器
圖5 勻質(zhì)燃燒反應(yīng)器界面設(shè)置
案例3 機(jī)理簡(jiǎn)化。運(yùn)用多種簡(jiǎn)化方法，得到優(yōu)化的骨架機(jī)理。
圖6 簡(jiǎn)化方法選擇
案例4 機(jī)理耦合。耦合混合燃料的機(jī)理文件。
圖7 機(jī)理耦合結(jié)果
六 時(shí)間及費(fèi)用
1. 教學(xué)費(fèi)用：根據(jù)每次培訓(xùn)的人數(shù)定價(jià),具體聯(lián)系客服獲取當(dāng)前期培訓(xùn)價(jià)格.
2. 付款方式：微信，支付寶，對(duì)公轉(zhuǎn)賬等
3. 發(fā)票信息：可出具正式發(fā)票（普票）
4. 培訓(xùn)時(shí)間: 根據(jù)每期上課的學(xué)生和老師空閑情況,約定時(shí)間即可上課 上完課后有永久答疑群 有問(wèn)題可以互相交流
七 聯(lián)系方式
微信：CAE320(昵稱:AAA耗子)
QQ: 2947967437(昵稱:320科技工作室)
展開(kāi) ANSYS頂級(jí)專家面對(duì)面交流會(huì)-ANSYS CFD燃燒及化學(xué)反應(yīng)專場(chǎng)
會(huì)議日程
8:30-9:00
簽到
9:00-10:00
燃燒系統(tǒng)的CFD模擬
工程建模及求解方法
燃燒系統(tǒng)
有限速率化學(xué)方法
湍流燃燒模擬
李少平博士
ANSYS首席研發(fā)
10:00-11:30
ANSYS 高級(jí)燃燒模擬工具
ANSYS 燃燒模擬方法
ANSYS FLUENT針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的LES燃燒模擬
李少平博士 & 李革農(nóng)博士
ANSYS首席研發(fā)
11:30-12:30
ANSYS CFD的工業(yè)應(yīng)用
馬世虎
ANSYS中國(guó)流體專家
12:30-13:30
午餐
13:30-15:00
Chemkin-Enterprise 軟件功能
Chemkin-Pro – 氣體及表面反應(yīng)模擬的黃金標(biāo)準(zhǔn)
Forte – 內(nèi)燃機(jī)仿真的高級(jí)工具
Reaction Workbench – 高級(jí)機(jī)理簡(jiǎn)化工具
Model Fuel Library (MFL) – 擁有超過(guò)65種燃料的最完整、最精確的反應(yīng)機(jī)理
張國(guó)軍
中潤(rùn)漢泰技術(shù)經(jīng)理
15:00-16:00
Chemkin-Enterprise 在工業(yè)中的應(yīng)用
張國(guó)軍
中潤(rùn)漢泰技術(shù)經(jīng)理
16:00-17:00
現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答
會(huì)議基本信息：
展開(kāi) 基于火焰面生成流形方法介紹
因而需要簡(jiǎn)化模型來(lái)降低狀態(tài)空間的維數(shù)與方程組的剛性。
FGM模型
FGM（Flamelet Generated Manifolds）模型是基于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化和火焰面方法兩者的結(jié)合。其認(rèn)為實(shí)際燃燒中的高維火焰可以視為一系列低維小火焰的系綜，即實(shí)際的高維火焰燃燒過(guò)程在燃燒化學(xué)反應(yīng)組分空間中的反應(yīng)流形路徑同低維小火焰中類似。FGM方法既可用于預(yù)混火焰面，也可用于非預(yù)混火焰面，還可利用零維預(yù)混氣的點(diǎn)火過(guò)程來(lái)構(gòu)造簡(jiǎn)化狀態(tài)空間。
在FGM方法中，通過(guò)計(jì)算低維火焰面中生成的反應(yīng)流形來(lái)模擬高維化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中的反應(yīng)流形。對(duì)于燃燒反應(yīng)中的低溫段和高溫段區(qū)域，該模型均使用火焰面方程求解，替代了高溫區(qū)域的低維反應(yīng)流形求解，可以減少化學(xué)反應(yīng)建表所需的計(jì)算量。
數(shù)學(xué)模型
01 連續(xù)性方程
其中，ρ為密度，v是流動(dòng)速度。
展開(kāi) 
燃?xì)廨啓C(jī)燃燒仿真詳解
以碳?xì)淙剂先紵齺?lái)說(shuō)，反應(yīng)中涉及的化學(xué)組分就多達(dá)上千種，為了在實(shí)際研發(fā)過(guò)程中模擬燃燒過(guò)程，必須有適當(dāng)?shù)?em>簡(jiǎn)化機(jī)理來(lái)滿足現(xiàn)有計(jì)算條件且盡可能準(zhǔn)確的捕捉燃燒過(guò)程。一般地，燃燒室的特征長(zhǎng)度在幾百毫米左右，但燃燒過(guò)程中最小的湍流特征長(zhǎng)度只有幾十微米，相差千倍以上，為了精確模擬該過(guò)程，即使采用直接數(shù)值模擬（DNS）也是相當(dāng)困難的，因?yàn)橛?jì)算量驚人。
在實(shí)際燃燒室研發(fā)過(guò)程中，多采用大渦模擬（LES）或雷諾平均（RANS）的方式來(lái)解決以減少計(jì)算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大渦模擬中也需采用亞格子模型，上述這些湍流模型對(duì)于燃燒過(guò)程中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展、演化有重要的影響。
至于化學(xué)反應(yīng)與組分濃度、溫度的湍流擾動(dòng)的相互作用，需要采用燃燒模型來(lái)解決。根據(jù)燃燒過(guò)程中燃料和氧化劑的不同進(jìn)入方式可以分為預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒、部分預(yù)混燃燒，可以根據(jù)不同的燃燒方式選擇合適的燃燒模型。
也可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度分為快速反應(yīng)的模型和有限反應(yīng)速度的模型，若只考慮流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可以選用快速反應(yīng)的模型，若還需考慮組分濃度分布，則應(yīng)選擇有限反應(yīng)速度的模型。如果燃料形態(tài)是液體，還需考慮液體的噴霧及蒸發(fā)過(guò)程。
此外，燃燒室燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的熱有一部分通過(guò)輻射的方式傳遞給火焰筒壁面，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壁面溫度選用適當(dāng)?shù)妮椛淠Ｐ秃苤匾?上述簡(jiǎn)要介紹了燃燒室數(shù)值模擬過(guò)程中相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流模型、燃燒模型、輻射模型。一般來(lái)說(shuō)，上述模型都是通過(guò)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格為基礎(chǔ)單元進(jìn)行離散求解獲得相應(yīng)的解，可以說(shuō)網(wǎng)格是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行良好的網(wǎng)格劃分既基礎(chǔ)、又重要。適當(dāng)計(jì)算域的選擇和準(zhǔn)確邊界條件的給定，也是燃燒過(guò)程準(zhǔn)確模擬的必要因素。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流全場(chǎng)流動(dòng)的大渦模擬
湍流模式采用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面流動(dòng)，氣、液兩相流模型采用項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自行開(kāi)發(fā)的二次霧化模型（見(jiàn)圖4），燃燒模型為增厚火焰面模型，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為兩步簡(jiǎn)化的航空煤油代用燃料（C10H23）與空氣的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。計(jì)算域空間離散為二階迎風(fēng)格式并添加了限制器，時(shí)間步長(zhǎng)為2×10-7s，求解器選擇雙精度。上述主要計(jì)算模型在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的前期工作中，已通過(guò)基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成了精度與適用性驗(yàn)證。
圖4 完善后的燃油二次霧化模型
計(jì)算中，通過(guò)監(jiān)測(cè)壓氣機(jī)、燃燒室內(nèi)預(yù)置測(cè)點(diǎn)的速度脈動(dòng)與渦輪出口流量判斷流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是否達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)穩(wěn)定。計(jì)算穩(wěn)定后，繼續(xù)計(jì)算7個(gè)非定常脈動(dòng)周期并在期間保存有效計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，隨后終止計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果分析。數(shù)值計(jì)算工作在中國(guó)航發(fā)商發(fā)高性能計(jì)算平臺(tái)HPCCII上開(kāi)展。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流大渦模擬結(jié)果
跨部件傳播的非定常特征
圖5為計(jì)算獲得的壓氣機(jī)與渦輪內(nèi)流中徑葉高處?kù)胤植寂c燃燒室中2000K的溫度等值面分布。由圖5可以看出，從壓氣機(jī)第一排轉(zhuǎn)子葉片開(kāi)始，每一級(jí)葉片均產(chǎn)生了明顯的非定常尾跡，這一尾跡流入下一排葉片中，與該排葉片自身的尾跡相互疊加，逐級(jí)向下游發(fā)展。
展開(kāi) 汽車傳動(dòng)系NVH研究方法及趨勢(shì)論述
4 結(jié)語(yǔ)
（１）在傳動(dòng)系工作過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生多種NVH問(wèn)題，可以按照“源—路徑—響應(yīng)”思路對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，找出主要影響因素。同時(shí)考慮性能平衡、成本等因素，從激勵(lì)源、傳遞路徑和響應(yīng)系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，找到問(wèn)題的解決方案。
（２）對(duì)傳動(dòng)系NVH問(wèn)題的研究可以分為試驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面。通過(guò)試驗(yàn)既可以得到問(wèn)題的特征并分析產(chǎn)生機(jī)理，又可以驗(yàn)證解決方案的效果。仿真主要是為了分析系統(tǒng)的固有特性、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)以及關(guān)鍵參數(shù)靈敏度。采用仿真分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，可以更深入地揭示傳動(dòng)系NVH問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，為解決問(wèn)題提供更多方案。
（３）混合動(dòng)力傳動(dòng)系工作模式多樣，解決模式切換過(guò)程中帶來(lái)的沖擊問(wèn)題具有挑戰(zhàn)性。電機(jī)高速化的發(fā)展趨勢(shì)，給純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系NVH測(cè)試和仿真分析都帶來(lái)了挑戰(zhàn)。人工智能技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都起到了良好的作用，推進(jìn)人工智能技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)融合，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為軟件，也是傳動(dòng)系NVH控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。
作者：王東，陳達(dá)亮，梁博洋
作者單位：（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 ３００３００）
來(lái)源：機(jī) 械 工 程 與 自 動(dòng) 化
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