《基於詳細反應機理簡化建模的化學流體力學計算方法》是依託中國科學院力學研究所，由魏小林擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：基於詳細反應機理簡化建模的化學流體力學計算方法
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：魏小林
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
能源的高效利用及清潔排放，要求對燃燒過程進行精確的數值模擬。目前，燃燒研究已經深入到關鍵自由基的調控方面，這需要採用詳細反應機理模型來模擬計算燃燒過程。一般採用通觀模型考慮化學反應的計算流體力學（CFD）模擬計算方法已經無法考慮中間產物以及自由基的影響，因此採用詳細反應機理簡化模型模擬燃燒過程的方法研究越來越受到重視。但是已有的單一機理簡化模型難以適應整個計算區域，模擬的精確度和程式的魯棒性還需改善。因此，本項目提出建立基於組分濃度分級的化學反應簡化機理模型，發展適應格線區域的機理簡化模型算法，並通過程式實現簡化建模的自動生成；發展流動和簡化反應機理模型相結合的算法，得到不同格線區域中流動和化學反應強烈耦合時的處理方法；發展簡化建模的高效算法，將簡化模型植入CFD程式；與實驗數據對照驗證，實現簡化模型及其與CFD耦合算法的最佳化，最終建立基於詳細反應機理簡化建模的化學流體力學計算方法。
結題摘要
本項目發展了反應機理的簡化程式及其與Chemkin和CFD程式的接口，實現了詳細化學反應機理簡化、驗證及其耦合CFD程式的功能。在實驗研究基礎上，採用基於簡化化學反應機理模型CFD方法模擬計算了三種典型的燃燒問題，包括氯元素對於一氧化碳氧化的影響、鹼金屬鈉對NO選擇性非催化還原作用的影響以及甲烷高壓富氧燃燒層流擴散火焰等，對於實驗結果與數值結果進行了相互驗證。以下為簡要的研究總結： 在以火焰溫度及OH自由基等分布為關鍵參數的基礎上，提出採用燃料混合的進程(混合進程變數)和發生化學反應的程度(反應進程變數)為燃燒的關鍵特徵參數，並參考其分布來劃分不同化學反應區域。只在火焰中心區域採用比較複雜的簡化機理，而在燃燒後區域等採用簡單的簡化機理，這樣明顯地減少了計算量。利用自編化學反應機理簡化程式，對涉及CO/O2/HCl/H2O/N2的詳細化學反應機理進行簡化和驗證，並耦合到計算流體力學CFD軟體研究了微量HCl在不同濃度、溫度和當量比條件下對CO燃燒的影響。結果表明，氧氣過量條件下，微量HCl對CO的燃燒有明顯的抑制作用，該抑制作用隨HCl濃度的增加而增強，隨溫度的升高而減弱。 得到包含C/H/O/N/S/Cl/K/Na元素的簡化反應機理，研究了微量鹼金屬添加物對NH3選擇性非催化還原NO的影響。結果表明，鹼金屬添加物使得“溫度視窗”向低溫方向擴展50~100 K，並在較大溫度範圍內增加脫氮效率。採用基於甲烷高壓反應的骨幹反應機理，對0.1-4 MPa壓力範圍內CH4富氧燃燒層流同軸射流擴散火焰進行了數值研究。計算結果與實驗結果吻合良好，能夠準確預測高壓富氧情況下的火焰溫度、輪廓、NO排放指數以及碳黑濃度等。
