国六柴油详细燃烧反应动力学模型的构建与简化

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构建准确高效的国六柴油燃烧反应动力学模型,是开展国六柴油燃烧反应动力学模型与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件耦合计算的基础,对掌握国六柴油燃烧过程的精细流场结构和污染物的生成机理具有重要意义。本文在分析国六0#柴油的组分含量和理化特性的基础上,确定了合适的表征物质,构建了包含PAH、NOX生成模型的国六柴油详细燃烧反应动力学模型(后简称“详细模型”),对详细模型进行了简化,开展了简化燃烧反应动力学模型(后简称“简化模型”)与CFD软件的耦合计算,对简化模型进行了验证。主要工作如下:(1)测量和分析了国六0#柴油的组分含量和燃料特性指标,发现其主要组分为直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃类物质,质量分数分别为29.58%、21.49%、10.51%和32.41%,其密度、运动粘度、硫含量、低热值和十六烷值分别为828kg/m3、4.5mm2/s、3mg/kg、43.2MJ/kg和52。在此基础上,以组分类型、氢碳原子个数比、密度、低热值和十六烷值为匹配目标,确定了以正癸烷、异辛烷、甲基环己烷和甲苯(摩尔比为0.5:0.05:0.05:0.4)作为表征物质,将表征物质的燃烧反应动力学模型进行合并,并筛选和添加了PAH、NOX生成模型,构建了国六0#柴油的详细模型,该模型包含1109个组分和5426个基元反应。(2)利用直接关系图法(Directed Relation Graph,DRG)、基于误差传播的直接关系图法(Directed Relation Graph with Error Propagation,DRGEP)、敏感性分析法(Sensitivity Analysis,SA),在不同的压力和温度条件下,设置5%、10%和20%三种相对误差,对柴油详细模型进行了简化,得到了三种不同规模的简化模型RD5、RD10和RD20;开展了详细模型、简化模型与闭式均相反应器模型、良搅拌反应器模型和预混层流火焰速度模型的耦合计算,对比分析了滞燃期、CO浓度和层流火焰速度,结果表明,RD10模型的预测性能较好,对滞燃期、CO浓度和层流火焰速度预测的最大误差分别为7.5%、5.0%和4.0%,该模型包含114个组分、991个基元反应。(3)开展了简化模型RD10与Fluent、Fire软件的耦合计算,在微小尺度和柴油机缸内条件下,模拟了国六0#柴油的燃烧特性,并与试验结果进行了对比分析,验证了RD10模型的准确性。结果表明,微小尺度燃烧条件下,火焰温度、高度和宽度的模拟值与试验值的最大误差分别为8.8%、8.6%和8.3%;柴油机缸内燃烧条件下,燃烧压力峰值、NOX和碳烟的模拟值与试验值的最大误差分别为5.6%、7.9%和9.2%。说明本文构建的国六0#柴油简化模型的预测性能较好,在微小尺度燃烧和发动机燃烧模拟研究方面具有一定的应用价值。
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