一种详细化学反应机理的简化方法转让专利
申请号 : CN202010042330.2
文献号 : CN111276192A
文献日 : 2020-06-12
发明人 : 肖民 , 刘玉坪 , 黄志伟 , 刘松岭
申请人 : 江苏科技大学 , 江苏科技大学海洋装备研究院
摘要 :
本发明涉及一种详细化学反应机理的简化方法，首先选择DRGEP方法，阈值从小到大设置进行多步简化，并对每一步得到的简化机理进行目标参数验证，观察目标参数是否满足初始设定的误差，若不再满足，则认为该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理进行后续的简化；接下来选择DRG方法，简化过程和DRGEP一样，从小到大设置阈值进行多步简化，直到该方法简化彻底；最后交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化。本发明的优点在于：本发明能够在保持精度的基础上最大的减少组分和基元反应，并能够很好地适用于不同规模的详细机理的简化。
权利要求 :
1.一种详细化学反应机理的简化方法，其特征在于：所述简化方法包括如下步骤：
S1：将详细化学反应机理带入反应器进行计算，得到详细化学反应机理的目标参数，并初始设定目标参数的误差；
S2：使用DRGEP方法，阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S3：观察S2中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S4：以DRGEP方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，改用DRG方法, 阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S5：观察S4中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S6：以DRG方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，随后以交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化。
2.根据权利要求1所述的详细化学反应机理的简化方法，其特征在于：所述S5中以交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化具体步骤为分别选择一个较小阈值各进行一次简化，首先选择DRGEPSA方法，设置一个阈值，进行第一次深度简化，然后使用DRGSA方法选择一个阈值进行第二次深度简化。
3.根据权利要求1或2所述的详细化学反应机理的简化方法，其特征在于：所述S2、S4或S5中，当这一步的简化机理和上一步的简化机理是同一机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理进行后续简化。
说明书 :
一种详细化学反应机理的简化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及燃烧过程中的计算机数值模拟技术，特别涉及一种详细化学反应机理的简化方法。
背景技术
[0002] 以往对燃烧现象的数值模拟往往只考虑单步或者几步化学反应，这导致该类数值模拟只能给出定性预测。目前，燃烧研究的发展趋势是从定性预测转变到定量预测。为了实现定量预测，燃烧数值模拟中必须包含详细化学反应机理。然而，详细化学反应机理的引入会给燃烧数值模拟带来巨大的计算量，于是简化机理的构建成为了解决这个问题的关键。
[0003] 目前，直接关系图法（DRG）及其衍生方法包括：基于误差传播的直接关系图法（DRGEP）、基于敏感性分析的直接关系图法（DRGASA）、基于误差传播和敏感性分析的直接关系图法（DRGEPSA）在对详细机理进行简化时，因为其计算成本不高且能在保持精度的基础上大幅度减少组分和基元反应步数，所以得到了广泛的应用。
[0004] 但前人在使用DRGEP和DRG方法时，阈值的选取绝大部分研究人员都是基于一种简化方法选取一个阈值进行一次简化，例如：Kyle E. Niemeyer等人采用DRGEPSA方法将正庚烷的详细机理进行简化，DRGEP阈值选取10-4；Keyvan Bahlouli，R. Khoshbakhti Saray，Ugur Atikol采用DRGEP-PCA二阶机理简化方法对正庚烷详细机理简化时，DRGEP阈值选取10-5，PCA阈值选取10-3；姚春德，韩国鹏等人采用DRG柴油/甲醇高温氧化机理进行初步简化时，DRG取阈值0.01。这种基于一种机理简化方法并选取一个阈值进行一次简化虽然可以在保持精度的条件下对详细机理进行简化，但是简化并不彻底，即得到的组分和基元反应依然可以在保持精度的情况下进行删减，在进行一次简化后，适当扩大阈值进行第二次简化，可以在保持精度的基础上再一次实现组分和基元反应的消除，例如Lu T和 Law C K在对Currn正庚烷详细机理（超过500组分）初步机理简化中采用DRG方法，第一次阈值选取0.1得到290个组分的简化机理，第二次选取阈值0.19得到188组分939步基元反应的骨架机理，最大点火延迟时间在初始设定的相对误差30%以内。而且从前人的研究工作中发现利用较小的阈值进行多次简化比利用一个较大的阈值进行一次简化得到的简化机理更加精确。
[0005] 在使用机理简化方法时，一种简化方法识别冗余组分和基元反应的能力有限，在充分消除冗余组分和基元反应后，存在无论阈值如何选取都不能在保持精度的条件下继续减少组分和基元反应的问题。从Keyvan Bahlouli等人的研究工作中发现，交叉使用不同的简化方法可以更大程度地减少组分和基元反应，Keyvan Bahlouli分别使用DRGEP、DRGEP-CSP、DRGEP-CSP-DRGEP三种方法对正庚烷的详细机理进行简化，分别得到135组分509步基元反应、135组分370步基元反应和118组分330步基元反应的简化机理，并且精度都满足初始设定的相对误差。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效彻底的对详细机理进行简化且使得到的简化机理更加精确的详细化学反应机理的简化方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种详细化学反应机理的简化方法，其创新点在于：所述简化方法包括如下步骤：S1：将详细化学反应机理带入反应器进行计算，得到详细化学反应机理的目标参数，并初始设定目标参数的误差；
S2：使用DRGEP方法，阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S3：观察S2中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S4：以DRGEP方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，改用DRG方法, 阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S5：观察S4中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S6：以DRG方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，随后以交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化。
S2：使用DRGEP方法，阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S3：观察S2中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S4：以DRGEP方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，改用DRG方法, 阈值从小到大设置进行多步简化，将每一步得到的简化机理，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与S1中详细化学反应机理的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S5：观察S4中的目标参数最大相对误差是否满足初始设定的误差，若不再满足，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理；
S6：以DRG方法简化已经彻底的上一步的简化机理为基础，随后以交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化。
[0008] 进一步地，所述S5中以交叉使用DRGEPSA和DRGSA两种方法进行深度简化具体步骤为分别选择一个较小阈值各进行一次简化，首先选择DRGEPSA方法，设置一个阈值，进行第一次深度简化，然后使用DRGSA方法选择一个阈值进行第二次深度简化。
[0009] 进一步地，所述S2、S4或S5中，当这一步的简化机理和上一步的简化机理是同一机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理进行后续简化。
[0010] 本发明的优点在于：（1）本发明详细化学反应机理的简化方法，首先对一种简化方法，通过从小到大选取阈值实现多步简化，待其能力用尽后，交叉使用多种简化方法，已达到对机理充分简化的目的，能够在保持精度的基础上最大的减少组分和基元反应，并能够很好地适用于不同规模的详细机理的简化；
（2）本发明详细化学反应机理的简化方法，简化得到的简化机理运用到缸内燃烧过程中的数值模拟，可以很好的对发动机的燃烧以及排放进行预测。
（2）本发明详细化学反应机理的简化方法，简化得到的简化机理运用到缸内燃烧过程中的数值模拟，可以很好的对发动机的燃烧以及排放进行预测。
附图说明
[0011] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0012] 图1是本发明简化方法的流程图（图中： A、B、C和a、b、c是各简化方法对应的阈值，A
[0013] 图2是采用本方法对正庚烷详细机理简化流程图。
[0014] 图3a-图3c是采用本方法所构建的正庚烷简化机理对滞燃期的模拟结果与正庚烷详细机理模拟结果对比图（虚线代表详细机理模拟结果，实线代表简化机理模拟结果）。
[0015] 图4是采用本方法对甲烷详细机理简化流程图。
[0016] 图5a-图5c是采用本方法所构建的甲烷简化机理对滞燃期的模拟结果与甲烷详细机理模拟结果对比图（点代表详细机理模拟结果，实线代表简化机理模拟结果）。
[0017] 图6a-图6d是采用本方法所构建的正庚烷简化机理对发动机缸压、缸温以及主要排放物（CO、CO2）的模拟结果与正庚烷详细机理模拟结果对比图（点代表详细机理模拟结果，实线代表简化机理模拟结果）。
[0018] 图7a-图7d是采用本方法所构建的甲烷简化机理对发动机缸压、缸温以及主要排放物（CO、CO2）的模拟结果与甲烷详细机理模拟结果对比图（点代表详细机理模拟结果，实线代表简化机理模拟结果）。
具体实施方式
[0019] 下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0020] 实施例1本实施例详细化学反应机理的简化方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：将详细化学反应机理带入反应器进行计算，得到详细化学反应机理的目标参数，并初始设定目标参数的误差；
S2：首先选择DRGEP作为初步简化的第1种机理简化方法，初始阈值设为A，得简化机理
1，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S3：以简化机理1为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到B，得简化机理2，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S4：以简化机理2为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到C，得简化机理3，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，超过初始设定误差，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理
2；具体实施时，简化机理3和简化机理2是同一简化机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理2；
S5：以简化机理2为基础，改用DRG方法，初始阈值设为a，得简化机理4，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S6：以简化机理4为基础，继续使用DRG方法并增大阈值到b，得简化机理5，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S7：以简化机理5为基础，继续使用DRG方法并增大阈值到c，得简化机理6，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，超过初始设定误差，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理5；
具体实施时，简化机理5和简化机理6是同一简化机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理5；
S8：以简化机理5为基础，选择DRGEPSA方法，阈值选择为A，得简化机理7，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，以简化机理7为基础，选用DRGSA方法，阈值同样设置为A，得最终简化机理。
S1：将详细化学反应机理带入反应器进行计算，得到详细化学反应机理的目标参数，并初始设定目标参数的误差；
S2：首先选择DRGEP作为初步简化的第1种机理简化方法，初始阈值设为A，得简化机理
1，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S3：以简化机理1为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到B，得简化机理2，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S4：以简化机理2为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到C，得简化机理3，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，超过初始设定误差，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理
2；具体实施时，简化机理3和简化机理2是同一简化机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理2；
S5：以简化机理2为基础，改用DRG方法，初始阈值设为a，得简化机理4，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S6：以简化机理4为基础，继续使用DRG方法并增大阈值到b，得简化机理5，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差；
S7：以简化机理5为基础，继续使用DRG方法并增大阈值到c，得简化机理6，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，超过初始设定误差，则该方法简化已经彻底，并返回上一步得到的简化机理5；
具体实施时，简化机理5和简化机理6是同一简化机理时，则该方法简化已经彻底，返回上一步得到的简化机理5；
S8：以简化机理5为基础，选择DRGEPSA方法，阈值选择为A，得简化机理7，带入反应器计算，得到简化机理的目标参数，并与详细机理得到的目标参数进行比较，得到目标参数最大相对误差，以简化机理7为基础，选用DRGSA方法，阈值同样设置为A，得最终简化机理。
[0021] 下面结合其他附图及具体实施方式进一步地详细说明本发明。本发明实施例2和实施例3是以封闭均质模型作为反应器，选择滞燃期为目标参数，滞燃期定义为从初始温度到温升400K时所需的时间间隔设置，设置目标参数的相对误差为30%，对包含654个组分和2827步基元反应的正庚烷详细机理（实施例2）和包含53个组分和325步基元反应的甲烷详细机理（实施例3）进行简化，通过对实施例2和实施例3的分析，对本发明做详细说明。
[0022] 实施例2本实施例正庚烷机理简化如图2，设置反应器当量比：0.5～1.5，压力为5Mpa，温度：700～1400K，首先将正庚烷详细机理带入均质反应器进行计算，得到详细机理的滞燃期。然后再对详细机理进行简化，初步简化使用DRGEP和DRG两种方法，首先选择DRGEP作为初步简化的第1种机理简化方法，初始阈值设为1×10-5，得简化机理1，带入均质反应器计算，得到简化机理的滞燃期，并与详细机理得到的滞燃期进行比较，得到滞燃期最大相对误差为
23.66%，以简化机理1为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到1×10-4，得简化机理2，滞燃期最大相对误差为27.66%，然后以简化机理2为基础，使用DRGEP方法，阈值增大到5×10-4，得简化机理3，滞燃期最大相对误差为27.66%，再以简化机理3为基础，使用DRGEP阈值增大-3
到1×10 ，得简化机理4，滞燃期最大相对误差为27.39%，若在此基础上继续增大阈值到5×
10-3，虽然能继续简化至简化机理5，但此时滞燃期最大相对误差达到68%，不再满足精度要求，于是以简化机理4为基础，改用DRG方法，初始阈值设为1×10-5，得到简化机理6，滞燃期最大相对误差为26.55%，以简化机理6为基础，同样使用DRG方法，增大阈值到1×10-4，得简化机理7，继续增大阈值得到简化机理8，此时滞燃期最大相对误差为36.13%，不满足精度要求，因此选择简化机理7为初步简化所得机理。随后交叉使用DRGEPSA和DRGASA两种简化方法进行深度简化，以简化机理7为基础，选择DRGEPSA方法，阈值选择为1×10-5，得简化机理九，滞燃期误差最大为26.71%，以简化机理九为基础，选用DRGSA方法，阈值同样设置为1×
10-5，得最终简化机理，包含162组分和692步基元反应，最大滞燃期误差为29.70%，满足初始设置精度。
23.66%，以简化机理1为基础，继续使用DRGEP方法并增大阈值到1×10-4，得简化机理2，滞燃期最大相对误差为27.66%，然后以简化机理2为基础，使用DRGEP方法，阈值增大到5×10-4，得简化机理3，滞燃期最大相对误差为27.66%，再以简化机理3为基础，使用DRGEP阈值增大-3
到1×10 ，得简化机理4，滞燃期最大相对误差为27.39%，若在此基础上继续增大阈值到5×
10-3，虽然能继续简化至简化机理5，但此时滞燃期最大相对误差达到68%，不再满足精度要求，于是以简化机理4为基础，改用DRG方法，初始阈值设为1×10-5，得到简化机理6，滞燃期最大相对误差为26.55%，以简化机理6为基础，同样使用DRG方法，增大阈值到1×10-4，得简化机理7，继续增大阈值得到简化机理8，此时滞燃期最大相对误差为36.13%，不满足精度要求，因此选择简化机理7为初步简化所得机理。随后交叉使用DRGEPSA和DRGASA两种简化方法进行深度简化，以简化机理7为基础，选择DRGEPSA方法，阈值选择为1×10-5，得简化机理九，滞燃期误差最大为26.71%，以简化机理九为基础，选用DRGSA方法，阈值同样设置为1×
10-5，得最终简化机理，包含162组分和692步基元反应，最大滞燃期误差为29.70%，满足初始设置精度。
[0023] 将采用本方法所构建的正庚烷简化机理对滞燃期的模拟结果与正庚烷详细机理模拟结果进行对比，结果如图3a-图3c所示，由图可知滞燃期最大误差均在30%以内，符合初始设定误差。
[0024] 将本实施例得到的正庚烷简化机理和正庚烷详细机理带入到发动机模拟器中进行计算，设置发动机模拟器初始温度：400/450/500K，初始压力0.1Mpa、初始当量比为1；并将采用本方法所构建的正庚烷简化机理对发动机缸压、缸温以及主要排放物（CO、CO2）的模拟结果与正庚烷详细机理模拟结果进行对比，由图6a-图6d可以发现具有良好的模拟精度。
[0025] 实施例3本实施例甲烷机理简化如图4，设置反应器当量比：0.5～1.5，压力为5Mpa，温度：750～
1400K，首先将正庚烷详细机理带入均质反应器进行计算，得到详细机理的滞燃期。然后再对详细机理进行简化，初步简化交叉使用DRGEP和DRG两种方法。首先选择DRGEP法，初始阈-5
值设为1×10 ，得简化机理1，带入均质反应器计算，得到简化机理的滞燃期，并与详细机理得到的滞燃期进行比较，滞燃期最大相对误差为16.79%，以简化机理1为基础，增大阈值到1×10-4，得简化机理2，滞燃期最大相对误差为10.91%，然后以简化机理2为基础，阈值增大到
1×10-3，得简化机理3，滞燃期最大相对误差为11.17%，再以简化机理3为基础，阈值增大到1×10-2，得27组分和137步基元反应的简化机理4，滞燃期最大相对误差为11.17%，在此基础上继续增大阈值到1×10-1，得到的简化机理5和简化机理4是同一简化机理，并未能在简化机理4的基础上继续简化，于是以简化机理4为基础，改用DRG方法，初始阈值设为1×10-5，得到的简化机理6与简化机理4仍是同一个简化机理，因此选择简化机理4为初步简化所得机理。接下来的深度简化交叉使用DRGEPSA和DRGSA方法，以简化机理4为基础，使用DRGEPSA方法，选择阈值为1×10-5，得简化机理7，滞燃期最大相对误差为9.48%，以简化机理7为基础，-5
改用DRGSA方法，阈值同样设置为1×10 ，得到的简化机理8和简化机理7是同一个简化机理，于是选择简化机理7为最终简化机理，包含26组分和122步基元反应，滞燃期误差最大为
9.48%，满足初始设置精度。
1400K，首先将正庚烷详细机理带入均质反应器进行计算，得到详细机理的滞燃期。然后再对详细机理进行简化，初步简化交叉使用DRGEP和DRG两种方法。首先选择DRGEP法，初始阈-5
值设为1×10 ，得简化机理1，带入均质反应器计算，得到简化机理的滞燃期，并与详细机理得到的滞燃期进行比较，滞燃期最大相对误差为16.79%，以简化机理1为基础，增大阈值到1×10-4，得简化机理2，滞燃期最大相对误差为10.91%，然后以简化机理2为基础，阈值增大到
1×10-3，得简化机理3，滞燃期最大相对误差为11.17%，再以简化机理3为基础，阈值增大到1×10-2，得27组分和137步基元反应的简化机理4，滞燃期最大相对误差为11.17%，在此基础上继续增大阈值到1×10-1，得到的简化机理5和简化机理4是同一简化机理，并未能在简化机理4的基础上继续简化，于是以简化机理4为基础，改用DRG方法，初始阈值设为1×10-5，得到的简化机理6与简化机理4仍是同一个简化机理，因此选择简化机理4为初步简化所得机理。接下来的深度简化交叉使用DRGEPSA和DRGSA方法，以简化机理4为基础，使用DRGEPSA方法，选择阈值为1×10-5，得简化机理7，滞燃期最大相对误差为9.48%，以简化机理7为基础，-5
改用DRGSA方法，阈值同样设置为1×10 ，得到的简化机理8和简化机理7是同一个简化机理，于是选择简化机理7为最终简化机理，包含26组分和122步基元反应，滞燃期误差最大为
9.48%，满足初始设置精度。
[0026] 将采用本方法所构建的甲烷简化机理对滞燃期的模拟结果与甲烷详细机理模拟结果 进行对比，结果如图5a-图5c所示，由图可知滞燃期最大误差均在10％以内，符合初始设定 误差。
[0027] 将本实施例得到的甲烷简化机理和甲烷详细机理带入到发动机模拟器中进行计算，设置发动机模拟器初始温度：480/520/560K，初始压力0.1Mpa、初始当量比为1；并将采用本方法所构建的甲烷简化机理对发动机缸压、缸温以及主要排放物（CO、CO2）的模拟结果与甲烷详细机理模拟结果进行对比，由图7a-图7d可以发现具有良好的模拟精度。
[0028] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。