基于反应路径分析法的生物柴油简化机理研究

郑五洲　周乃君　黄　庆

（中南大学能源科学与工程学院湖南长沙410083）

·设计·计算·

基于反应路径分析法的生物柴油简化机理研究

郑五洲周乃君黄庆

（中南大学能源科学与工程学院湖南长沙410083）

基于反应路径分析法，建立了一个适合三维数值模拟软件耦合生物柴油反应机理的简化机理。该简化机理由68个组分和113个基元反应组成。通过与文献提出的机理进行对比，结果表明该简化机理具有较好的精度。利用CFD软件FLUENT建立柴油机三维模型，将简化机理与EDC燃烧模型等耦合。计算结果显示，所建立的三维模型在CPU为I7-4790的处理器上计算耗时约为70 h，比文献提出的机理节省约170 h，且能较好地预测发动机的作功能力。

生物柴油反应路径分析法简化机理三维数值模拟

引言

生物柴油作为车用发动机替代燃料之一，已在国内外得到推广和应用。随着激波管技术、激光光谱技术等试验方法的日新月异，构建生物柴油化学反应动力学已成为一个发展很快的研究方向。2009年，Dayma等［1］在对庚酸甲酯（MHEP）进行实验研究的基础上，得到一个包含1087种组分和4592个基元反应的详细机理。2007年，Gail等［2］通过实验和数值模拟研究，得到一个包含295种组分、1498个基元反应的MB机理。2014年，李军成［3］在对生物柴油详细机理进行简化后，得到一个对生物柴油燃烧具有良好预测的Bio111简化机理。

随着对发动机燃油经济性和排放要求的不断提高，需要对发动机缸内燃烧过程有更深层次的认识。CFD作为一种重要而有效的工具已经被加以应用。但是当生物柴油的详细化学机理与三维模拟软件耦合时，计算时间过长。为了克服这些困难，本文提出一种适用于发动机三维数值模拟的生物柴油简化机理。利用CFD软件FLUENT模拟柴油机燃烧生物柴油的工作工程，并与实验结果对比验证其可行性。

1　生物柴油机理的简化

采用CHEMKIN软件建立单缸直喷发动机数值模型，参数如表1所示。气缸模型为绝热的单区模型，即假定整个燃烧室为一个压力、温度和组分完全均匀的空间，忽略缸壁传热与湍流等因素的影响，缸内过程只受化学反应动力学控制。燃料混合气过量空气系数为2。

表1　发动机部分技术参数

1.1反应路径分析方法

为获得简化机理，目前采用较多的方法有敏感性分析法、遗传算法、直接关系图法、集总法和反应路径分析法等［4］。其中反应路径分析法工作量较小，过程容易理解，且具有令人满意的精度，因此本文将采用此法获得所需的简化机理。

本文所采用反应路径分析法来获得生物柴油简化机理模型的基本过程为：以燃料为初始组分，去除与其相关且消耗速率较小的基元反应，留下对燃料着火和燃烧有重要影响的反应，并将这些反应的生成物作为新的初始组分，继续删减消耗速率较小的反应，直到燃料氧化为CO2和H2O。原则上不改动详细机理中基元反应的指前因子、温度指数和活化能，只进行反应组分和基元反应的删减。

1.2生物柴油化学反应动力学机理的简化

本文的对照样本采用李军成［3］建立的MD（癸酸甲酯C11H22O2）和nC7H16（正庚烷）生物柴油氧化模型，其体积分数均为50%。

图1为本文得到的MD反应路径图，MD主要在活性基O、OH和H的作用下，生成三种产物ME2J（C3H5O2）、MD2J（C11H21O2）、MD6J（C11H21O2）和（C8H17）-1。MD主要消耗反应是：

图1　癸酸甲酯消耗路径

图2为（C8H17）-1反应消耗路径图，它主要是分解反应（C8H17）-1=C2H4+（C6H13）-1。

图2　（C8H17）-1消耗路径

图3为ME2J反应消耗路径图，其主要通过反应ME2J=CH2CO+CH3O和ME2J=MEMJ生成MEMJ（C3H5O2）、CH3O和CH2CO。

图3　ME2J消耗路径

图4为MD2J反应消耗路径图，其主要通过反应MD2J=（C7H15）-1+MP2D生成MP2D（C4H6O2）和（C7H15）-1。

图5为MD6J反应消耗路径图，其主要通过反应MD6J=nC3H7+MS6D生成nC3H7和MS6D（C8H14O2）。

图4　MD2J消耗路径

图5　MD6J消耗路径

图6为nC7H16（正庚烷）反应消耗路径图，nC7H16主要在活性基O、OH和H等的作用下生成（C7H15）-2。

图6　正庚烷消耗路径

nC7H16主要消耗反应有：

图7为（C7H15）-2反应消耗路径图，其主要通过反应（C7H15）-2=pC4H9+C3H6和（C7H15O2）-2=（C7H15）-2+ O2生成pC4H9、C3H6和（C7H15）-2。

图7　（C7H15）-2消耗路径

由以上产物的反应消耗路径，得出下一步的产物，直至最终反应完全氧化为CO2。另外，NOx化学反应动力学机理采用Zeldovich热力型反应机理：

按照以上过程，最终得到一个包含68种组分和113个基元反应的生物柴油简化机理。

1.3两种简化机理的燃烧特性对比

将本文的简化机理的预测结果与李机理［3］的结果进行对比。图8和图9为发动机缸内压力和温度随曲轴转角的变化关系。由图可知，简化机理的计算结果与李机理吻合较好，实际上，除缸内压力和温度外，计算得到的缸内放热效率、OH、CO、CO2和H2O浓度等参数也较好地吻合。因此，本文得到的简化机理是可行的。

图8　压力对比

图9　温度对比

2　三维模型的验证

本文针对国内某厂一款新型柴油机，采用本文的简化机理与李机理进行数值模拟对比研究。该柴油机的主要技术参数如表2所示。

表2　发动机主要技术参数

2.1主要模型与边界条件

主要数值计算模型包括：组分输运方程选择涡耗散概念（EDC）模型；湍流模型采用主RNG模型；流场迭代求解选用PISO算法［5-6］；燃料雾化选择气体辅助雾化模型（air-blast atomizer）［7］。

主要边界条件为：排气道出口设置为压力出口条件。喷射颗粒流的初始温度为330 K，每个喷嘴的质量流量为0.041 4 kg/s，喷射时间为0.001 6 s，每个进气门流量为0.06 kg/s。

2.2计算耗时对比

计算机处理器型号为I7-4 790，计算耗时对比如表3所示。结果显示，此次三维计算模型计算量较大，本文简化机理比李机理的耗时约少170 h。

表3　计算耗时对比

2.3与实验结果的对比

为了验证三维数值模拟的正确性，依据该款柴油机的实验参数，模拟计算了各转速下发动机缸内峰值压力的大小。各转速缸内峰值压力与实验情况下峰值压力如表4所示。结果表明，实验与模拟结果吻合较好，能很好地预测缸内峰值压力的大小。

表4　模拟结果与实验结果对比

3　结论

针对生物柴油化学反应机理，通过反应路径分析法对其进行机理简化，得到了一个包含68种组分和113个基元反应的生物柴油简化机理，应用CFD软件FLUENT对国内某厂一款新型柴油机进行了缸内三维数值模拟，并用试验结果进行了检验，主要结论有：

1）反应路径分析法比较方便可靠，且具有较好的精度；

2）本文所建立的简化机理可大幅度减少计算耗时；

3）本文所建立的简化机理能较好地预测生物柴油在发动机内的作功性能等。

1Dayma G，Togbe C，Dagaut P.Detailed kinetic mechanism for the oxidation of vegetable oil methyl esters：new evidence from methyl heptanoate［J］.Energy&Fuels，2009，23：4254-4268

2Gaïl S，Thomson M J，Sarathy S M，et al.A wide-ranging kinetic modeling study of methyl butanoate combustion［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31：305-311

3李军成.生物柴油化学反应机理模型及燃烧分析应用［D］.长沙：湖南大学，2014

4刘耀东.基础燃料（PRF）及汽油表征燃料（TRF）化学反应动力学骨架模型的研究［D］.大连：大连理工大学，2013

5王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004

6于勇.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2008

7B P Leonard.The ultimate conservative difference scheme applied to unsteady one-dimensional advection［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1991，88（1）：17-74

Study on the Simplified Mechanism of Biodiesel based on the Reaction Path Analysis Method

Zheng Wuzhou，Zhou Naijun，Huang Qing
School of Energy Science and Engineering，Central South University（Changsha，Hunan，410083，China）

Based on the reaction path analysis method，a simplified mechanism of biodiesel was established which is suitable for coupling the 3D numerical simulation software.The simplified chemical kinetic mechanism includes 68 species and 113 elementary reactions.After comparing with the mechanism proposed in the literature，it can be concluded that the simplified mechanism has good precision.A three-dimensional numerical model of diesel engine was developed by coupling the simplified chemical kinetic mechanism and the EDC combustion model.When the processor model is I7-4790，calculation results show that the time consuming of using simplified mechanism is 70 hours，it saves about 170 hours compared to the original mechanism，and it can predict the power of the engine well.

Biodiesel，Reaction path analysis method，Simplified mechanism，Three-dimensional simulation

TE667

A

2095-8234（2016）03-0056-04

郑五洲（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机代用燃料。

周乃君（1963-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为热工过程仿真与优化研究。

2016-03-11）