乙烯预混层流稳态火焰简化化学反应动力学模型研究.pdf

．肖保国等：乙烯预混县流稳态火焰简化化学反应动力学模型研究 乙烯预混层流稳态火焰简化化学反应动力学模型研究 肖保国 杨顺华钱炜祺 乐嘉陵 (中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000) 摘要：本文从乙烯点火燃烧的99种组分533个基元反应的详细化学反应动力学模型出发简化得出了包 含20个组分16步总包反应形式的简化化学反应动力学模型。通过对乙烯预混、层流、稳态火焰的数值模 拟结果和同步辐射的测量结果的对比可以看出，采用“准稳态”假设方法得到的简化反应动力学模型能有 效再现详细基元反应模型的反应机理，具有较高精度，是可靠而有效的。在工程计算中有较好的应用前景。 关键词：预混：层流；稳态：乙烯；“准稳态”假设；简化化学反应动力学模型 1引言 随着计算技术的发展，数值方法在内燃机、超燃冲压发动机燃烧室的设计研究过程中得到了越来越 广泛的应用【l】。在超燃冲压发动机研究中，为了较为准确地获取碳氢燃料在燃烧宝流场中的燃烧特性， 需要将流体力学方程组与碳氢燃料的化学反应动力学模型耦合起来数值求解发动机燃烧室中的流场，对 流场内的火焰速度、火焰温度分布、各组分的浓度分布等进行研究。然而，工程实际中遇到碳氢燃料的 化学反应动力学模型都十分复杂，以乙烯燃烧为例【21，描述其详细反应机理的化学动力学模型由99种 组分，533个基元反应组成。如果对上述详细基元反应模型中所有参与反应的组分均写出组分守恒方程， 耦合到流场计算中时会出现两个问题：一是“刚性问题”，即反应动力学模型中既包括了反应速率快、 特征时间尺度小的基元反应，包括了反应速率慢、特征时间尺度大的基元反应，反映到微分方程中就是 方程的特征值差别明显，特征矩阵的条件数很大，形成了计算刚性问题；二是计算效率问题，当化学反 应动力学模型包含如此多的组分和基元反应时，会使计算中待求解变量的数目和方程规模过于庞大，占 用大量计算机内存和CPU时间，从而影响到计算效率。因此，为了克服这两个困难，在实际计算中有 必要对复杂的化学反应动力学模型进行简化，得到简化的化学反应动力学模型。同时，研究简化的化学 反应动力学模型能揭示出整个化学反应过程中起主要作用和决定作用的基元反应步骤，这对于深入了解 化学反应的机理，有效控制化学反应的进行也有着重要的指导意义。目前，常用的简化化学反应动力学 模型的方法主要有以下几种：灵敏度分析法【31、几何奇异摄动结合中心流形技术的方法”】、计算奇异值 State 摄动法【5】和“准稳态”假设方法(QuasiSteady 其易于推导、使用方便的优点，在工程上得到了成功应用【71。本文从乙烯点火燃烧的详细基元反应动力 学模型出发，采用“准稳态”假设方法建立了相应的简化化学反应动力学模型，并分别利用该简化模型 和原始详细模型对乙烯预混层流火焰进行了数值模拟，将计算结果与同步辐射的实验结果进行了对比。 2“准稳态”假设方法 首先，我们先简单介绍下“准稳态”方法。对于一个由研中组分和阶基元反应组成的化学反应系 统，各组分的反应速率可写为如下常微分方程形式： 作者简介：肖保国(1980一)，男，博士研究生，研究方向为超音速燃烧技术。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号。 ws，R， (1) 譬=g(y)=WSR=∑K ¨‘ r=l 其中，y为组分质量分数的Ⅳ维矢量，其分量M(『-l加为第所中组分的质量分数；w是Ⅳ×|Ⅳ维的对角化 为第f个基元反应的反应速率。所谓“准稳态”假设，是指假设反应系统中某些组分是最活跃、最容易 发生反应的物质，其生成率近似等于消耗率，这些组分(设有M种)处于准稳定状态，即 K 一，．． 等=∑％R‘≈o(f_l，M) (2)