劉玉坪, 肖 民, 黃志偉

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程中,湍流流動(dòng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相互關(guān)聯(lián),湍流通過(guò)強(qiáng)化混合來(lái)影響著化學(xué)反應(yīng)速率,同時(shí)化學(xué)反應(yīng)的放熱過(guò)程又影響著湍流[1],但現(xiàn)有CFD軟件的燃燒模型[2-3],在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)只用一步或兩步總包反應(yīng)來(lái)反映燃燒中的化學(xué)反應(yīng)作用,常常難以精準(zhǔn)、全面的復(fù)現(xiàn)燃料燃燒的動(dòng)力學(xué)特征,比如對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、著火延遲時(shí)間和反應(yīng)完全程度等．于是將含有多步反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)入到現(xiàn)有的CFD軟件中進(jìn)行計(jì)算,成為了解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵．但是詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的組分和基元反應(yīng)又十分復(fù)雜,特別是像正庚烷這種包含了上千種反應(yīng)的機(jī)理模型,這對(duì)于CFD軟件計(jì)算時(shí)間來(lái)說(shuō)是不能接受的,于是專(zhuān)家學(xué)者通常將詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化,并將其與CFD耦合進(jìn)行計(jì)算,文獻(xiàn)[4]將包含171組分和765步基元反應(yīng)的正丁醇/生物柴油的簡(jiǎn)化機(jī)理與KIVA軟件耦合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的模擬計(jì)算．文獻(xiàn)[5]將包含45組分和142步基元反應(yīng)的PRF簡(jiǎn)化機(jī)理與CONVERGE軟件耦合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算．

機(jī)理簡(jiǎn)化的方法有很多,其中直接關(guān)系圖(directed relation graph,DRG)及其衍生方法作為一種高效的機(jī)理簡(jiǎn)化方法被廣泛使用[6-8],DRG的衍生方法有基于誤差的直接關(guān)系圖法(error propagation extension to DRG，DRGEP)、基于敏感性分析的直接關(guān)系圖/誤差關(guān)系圖(sensitivity analysis option in DRG/DRGEP,DRGSA/DRGEPSA)．但在使用DRG及其衍生方法進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化時(shí),閾值的選取大都基于一種簡(jiǎn)化方法選取一個(gè)閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化,例如:文獻(xiàn)[9]采用DRGEP-PCA二階機(jī)理簡(jiǎn)化方法對(duì)正庚烷詳細(xì)機(jī)理簡(jiǎn)化時(shí),DRGEP閾值只選取10-5,PCA閾值只選取10-3.文獻(xiàn)[10]采用DRG對(duì)柴油/甲醇高溫氧化機(jī)理進(jìn)行初步簡(jiǎn)化時(shí),DRG只取一個(gè)閾值為0.01．文獻(xiàn)[11]基于一種機(jī)理簡(jiǎn)化方法并選取一個(gè)閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化，雖然可以保持精度，但仍存有冗余組分和基元反應(yīng).若在一次簡(jiǎn)化后,適當(dāng)擴(kuò)大閾值進(jìn)行第二次簡(jiǎn)化,在保持精度的基礎(chǔ)上再一次實(shí)現(xiàn)組分和基元反應(yīng)的消除，文獻(xiàn)[11]在對(duì)Currn正庚烷詳細(xì)機(jī)理(超過(guò)500組分)初步機(jī)理簡(jiǎn)化中采用DRG方法,第一次DRG閾值選取0.1得到290個(gè)組分的簡(jiǎn)化機(jī)理,在第一次簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上選取第二次DRG閾值0.19得到188組分939步基元反應(yīng)的骨架機(jī)理,最大點(diǎn)火延遲時(shí)間在初始設(shè)定的相對(duì)誤差30%以?xún)?nèi)．但只使用一種機(jī)理簡(jiǎn)化方法進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)發(fā)現(xiàn)存在無(wú)論閾值如何選取都不能在保持精度的條件下繼續(xù)減少組分和基元反應(yīng)的問(wèn)題,但此時(shí)的簡(jiǎn)化機(jī)理仍存在冗余的組分和基元反應(yīng)．文獻(xiàn)[12]交叉使用不同的簡(jiǎn)化方法，可以更大程度地減少組分和基元反應(yīng)，其分別使用DRGEP、DRGEP-CSP、DRGEP-CSP-DRGEP3種方法對(duì)正庚烷的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化,分別得到135組分509步基元反應(yīng)、135組分370步基元反應(yīng)和118組分330步基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理,并且精度都滿(mǎn)足初始設(shè)定的相對(duì)誤差．于是文中提出一種新的簡(jiǎn)化策略,首先針對(duì)一種簡(jiǎn)化方法,通過(guò)從小到大選取閾值實(shí)現(xiàn)多步簡(jiǎn)化,待其能力用盡后,再選用其他的簡(jiǎn)化方法,并從小到大設(shè)置閾值進(jìn)行多步簡(jiǎn)化,以期通過(guò)交叉使用其他簡(jiǎn)化方法,并在每一種方法中從小到大選取閾值實(shí)現(xiàn)多步簡(jiǎn)化,以達(dá)到對(duì)機(jī)理充分簡(jiǎn)化的目的．在此基礎(chǔ)上,采用該簡(jiǎn)化策略對(duì)規(guī)模差別很大的LLNL3.1和GRI3.0機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化．正庚烷機(jī)理LLNL3.1是由美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livemore National Laboratory)最新提出的,包含654種組分和2 827個(gè)反應(yīng);GRI3.0是由Natural Gas Research Institute開(kāi)發(fā)的甲烷氧化機(jī)理,該機(jī)理包含53種組分和325步基元反應(yīng),這兩個(gè)機(jī)理是目前國(guó)際上最權(quán)威的正庚烷機(jī)理和甲烷機(jī)理．并采用chemkin軟件中的零維模擬器對(duì)簡(jiǎn)化過(guò)后的機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理分別進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)兩者計(jì)算結(jié)果的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證該簡(jiǎn)化策略的適用性．

1 簡(jiǎn)化策略

簡(jiǎn)化策略的基本思想如圖1．

A、B、C和a、b、c是各簡(jiǎn)化方法對(duì)應(yīng)的閾值,A

1 利用簡(jiǎn)化策略實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化

1.1 利用簡(jiǎn)化策略實(shí)現(xiàn)正庚烷L(zhǎng)LNL3.1機(jī)理簡(jiǎn)化

滯燃期是表征燃料燃燒特性的一個(gè)十分重要的參數(shù),它決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特征,而恒定容積并求解能量方程的均質(zhì)反應(yīng)器模型是普遍被用來(lái)計(jì)算燃料的著火滯燃期,因此選取封閉均質(zhì)模型(Closed Homogeneous Reactor)作為反應(yīng)器[13],具體工況點(diǎn)如表1(45個(gè)工況點(diǎn))．以滯燃期作為目標(biāo)參數(shù),滯燃期定義為從初始溫度到溫升400 K時(shí)所需的時(shí)間間隔設(shè)置[14],考慮計(jì)算精度和計(jì)算工作量,設(shè)置目標(biāo)參數(shù)的相對(duì)誤差為30%[15]．

表1 反應(yīng)器中具體工況點(diǎn)Table 1 Specific operating points in the reactor

正庚烷機(jī)理簡(jiǎn)化步驟如圖2．初步簡(jiǎn)化使用DRGEP和DRG兩種方法,首先選擇DRGEP作為初步簡(jiǎn)化的第1種機(jī)理簡(jiǎn)化方法,初始閾值設(shè)為1×10-5,得簡(jiǎn)化機(jī)理一,帶入CHEMKIN計(jì)算,滯燃期最大相對(duì)誤差為23.66%,以簡(jiǎn)化機(jī)理一為基礎(chǔ),繼續(xù)使用DRGEP方法并增大閾值到1×10-4,得簡(jiǎn)化機(jī)理二,滯燃期最大相對(duì)誤差為27.66%,然后以簡(jiǎn)化機(jī)理二為基礎(chǔ),使用DRGEP方法,閾值增大到5×10-4,得簡(jiǎn)化機(jī)理三,滯燃期最大相對(duì)誤差為27.66%,再以簡(jiǎn)化機(jī)理三為基礎(chǔ),使用DRGEP閾值增大到1×10-3,得簡(jiǎn)化機(jī)理四,滯燃期最大相對(duì)誤差為27.39%,若在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大閾值到5×10-3,雖然Reaction Workbench軟件能繼續(xù)簡(jiǎn)化至簡(jiǎn)化機(jī)理五,但此時(shí)滯燃期最大相對(duì)誤差達(dá)到68%,不再滿(mǎn)足精度要求,并在此時(shí)認(rèn)為DRGEP的簡(jiǎn)化能力已經(jīng)用盡．于是以簡(jiǎn)化機(jī)理四為基礎(chǔ),改用DRG方法,初始閾值設(shè)為1×10-5,得到簡(jiǎn)化機(jī)理六,滯燃期最大相對(duì)誤差為26.55%,以簡(jiǎn)化機(jī)理六為基礎(chǔ),同樣使用DRG方法,增大閾值到1×10-4,得簡(jiǎn)化機(jī)理七,繼續(xù)增大閾值得到簡(jiǎn)化機(jī)理八,此時(shí)滯燃期最大相對(duì)誤差為36.13%,不滿(mǎn)足精度要求,并認(rèn)為此時(shí)DRG的簡(jiǎn)化能力已經(jīng)用盡．因此選擇簡(jiǎn)化機(jī)理七為初步簡(jiǎn)化所得機(jī)理．隨后交叉使用DRGEPSA和DRGASA兩種簡(jiǎn)化方法進(jìn)行深度簡(jiǎn)化,以簡(jiǎn)化機(jī)理七為基礎(chǔ),選擇DRGEPSA方法,閾值選擇為1×10-5,得簡(jiǎn)化機(jī)理九,滯燃期誤差最大為26.71%,以簡(jiǎn)化機(jī)理九為基礎(chǔ),選用DRGSA方法,閾值同樣設(shè)置為1×10-5,得最終簡(jiǎn)化機(jī)理,包含162組分和692步基元反應(yīng),最大滯燃期誤差為29.70%,滿(mǎn)足初始設(shè)置精度,機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果如表2．

圖2 正庚烷機(jī)理簡(jiǎn)化流程Fig.2 Reduced flow chart of n-heptane mechanism

表2 正庚烷機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果

1.2 利用簡(jiǎn)化策略實(shí)現(xiàn)甲烷GRI3.0機(jī)理簡(jiǎn)化

選擇Closed Homogeneous Reactor作為反應(yīng)器．具體工況點(diǎn)如表3(42個(gè)工況點(diǎn)),以滯燃期為目標(biāo)參數(shù),滯燃期定義及目標(biāo)參數(shù)的相對(duì)誤差同上．

表3 反應(yīng)器中具體工況點(diǎn)Table 3 Specific operating points in the reactorm

甲烷機(jī)理簡(jiǎn)化步驟如圖3．

圖3 甲烷機(jī)理簡(jiǎn)化流程Fig.3 Reduced flow chart of methane mechanism

初步簡(jiǎn)化交叉使用DRGEP和DRG兩種方法．首先選擇DRGEP法,初始閾值設(shè)為1×10-5,得簡(jiǎn)化機(jī)理一,帶入CHEMKIN計(jì)算,滯燃期最大相對(duì)誤差為16.79%,以簡(jiǎn)化機(jī)理一為基礎(chǔ),增大閾值到1×10-4,得簡(jiǎn)化機(jī)理二,滯燃期最大相對(duì)誤差為10.91%,然后以簡(jiǎn)化機(jī)理二為基礎(chǔ),閾值增大到1×10-3,得簡(jiǎn)化機(jī)理三,滯燃期最大相對(duì)誤差為11.17%,再以簡(jiǎn)化機(jī)理三為基礎(chǔ),閾值增大到1×10-2,得27組分和137步基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理四,滯燃期最大相對(duì)誤差為11.17%,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大閾值到1×10-1,得到的簡(jiǎn)化機(jī)理五,但機(jī)理五和簡(jiǎn)化機(jī)理四是同一簡(jiǎn)化機(jī)理,并未能在簡(jiǎn)化機(jī)理四的基礎(chǔ)上繼續(xù)簡(jiǎn)化,因此認(rèn)為DRGEP的簡(jiǎn)化能力已用盡．于是以簡(jiǎn)化機(jī)理四為基礎(chǔ),改用DRG方法,初始閾值設(shè)為1×10-5,得到的簡(jiǎn)化機(jī)理六,與簡(jiǎn)化機(jī)理四是同一個(gè)簡(jiǎn)化機(jī)理,此時(shí)認(rèn)為DRG的簡(jiǎn)化能力也已用盡．因此選擇簡(jiǎn)化機(jī)理四為初步簡(jiǎn)化所得機(jī)理．接下來(lái)的深度簡(jiǎn)化交叉使用DRGEPSA和DRGSA方法,以簡(jiǎn)化機(jī)理四為基礎(chǔ),使用DRGEPSA方法,選擇閾值為1×10-5,得簡(jiǎn)化機(jī)理七,滯燃期最大相對(duì)誤差為9.48%,以簡(jiǎn)化機(jī)理七為基礎(chǔ),改用DRGSA方法,閾值設(shè)置為1×10-5,得到的簡(jiǎn)化機(jī)理八,但機(jī)理八和簡(jiǎn)化機(jī)理七是同一個(gè)簡(jiǎn)化機(jī)理,此時(shí)認(rèn)為機(jī)理簡(jiǎn)化已經(jīng)足夠充分．于是選擇簡(jiǎn)化機(jī)理七為最終簡(jiǎn)化機(jī)理,包含26組分和122步基元反應(yīng),滯燃期誤差最大為9.48%,滿(mǎn)足初始設(shè)置精度,機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果如表4．

表4 甲烷機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果Table 4 Reduced results of methane mechanism

1.3 簡(jiǎn)化閾值對(duì)機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果的影響分析

為了比較使用一種簡(jiǎn)化方法采用閾值從小到大設(shè)置得到的簡(jiǎn)化機(jī)理和采用一個(gè)較大閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化所得到簡(jiǎn)化機(jī)理的準(zhǔn)確度,文中通過(guò)選用DRGEP方法,使用較大閾值(10-3)對(duì)正庚烷詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行一次簡(jiǎn)化所得的簡(jiǎn)化機(jī)理(包含213組分和1 008個(gè)基元反應(yīng))與文中選用DRGEP方法,閾值從小到大設(shè)置,進(jìn)行多步簡(jiǎn)化所得正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理四(212組分和1 029個(gè)基元反應(yīng))的滯燃期誤差進(jìn)行對(duì)比,如圖4(a)．

圖4 滯燃期誤差對(duì)比Fig.4 Comparison of ignition delay error

圖4(b)是選用DRGEP方法,使用較大閾值(10-2)對(duì)甲烷詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行一次簡(jiǎn)化所得的簡(jiǎn)化機(jī)理(包含34組分和191個(gè)基元反應(yīng))與文中選用DRGEP方法,閾值從小到大設(shè)置,進(jìn)行多步簡(jiǎn)化所得甲烷簡(jiǎn)化機(jī)理四(27組分和137個(gè)基元反應(yīng))的滯燃期誤差對(duì)比圖．從圖4(a)和圖4(b)可以看出,使用較大閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化所得簡(jiǎn)化機(jī)理和文中方法簡(jiǎn)化所得機(jī)理相比,在不同工況下,一次簡(jiǎn)化機(jī)理的滯燃期誤差比文中所采用的方法簡(jiǎn)化得到的機(jī)理滯燃期誤差高,且最大誤差分別超過(guò)50%(圖4(a))和70%(圖4(b))．證明了采用閾值從小到大多步簡(jiǎn)化所得機(jī)理的精度要高于使用較大閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化．

2 簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理的對(duì)比驗(yàn)證

2.1 滯燃期驗(yàn)證

2.1.1 正庚烷機(jī)理驗(yàn)證

基于Closed Homogeneous Reactor,將文中所提正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理在不同工況下的點(diǎn)火時(shí)刻與詳細(xì)的正庚烷機(jī)理進(jìn)行對(duì)比．設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)的壓力P分別為4、5、6 MPa;燃空當(dāng)量比Φ分別為0.5,1.0,1.5;溫度范圍為700～1 400 K．

圖5是基于Closed Homogeneous Reactor的詳細(xì)機(jī)理與簡(jiǎn)化機(jī)理在不同工況下的點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)比圖．

圖5 不同工況下正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)比Fig.5 Comparison of ignition time between reduced mechanism and detailed mechanism of n-heptane under different working conditions

從圖5可以看出,在不同工況下,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期雖然存在誤差,且在900～1 000 K之間誤差明顯,這是由于在機(jī)理簡(jiǎn)化的過(guò)程中去除了在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)相關(guān)性比較大的組分和基元反應(yīng),但總體上保持了初始設(shè)定的精度范圍內(nèi),且變化趨勢(shì)與詳細(xì)機(jī)理一致;若調(diào)整該溫度區(qū)間的誤差,可以通過(guò)敏感性分析對(duì)基元反應(yīng)進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到減少誤差的效果．從圖5(a、b、c)可以看出,壓力不變時(shí),隨著當(dāng)量比的增加,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期變化曲線(xiàn)越來(lái)越吻合；從圖5(d、e、f)可以看出,當(dāng)量比不變時(shí),隨著壓力的增加,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期變化曲線(xiàn)越來(lái)越吻合．說(shuō)明簡(jiǎn)化機(jī)理在高當(dāng)量比和高壓條件下對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻的預(yù)測(cè)更好,但總體來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化機(jī)理能替代詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值計(jì)算．

2.1.2 甲烷機(jī)理驗(yàn)證

依然基于Closed Homogeneous Reactor,將文中所提甲烷簡(jiǎn)化機(jī)理在不同工況下的點(diǎn)火時(shí)刻與詳細(xì)的甲烷機(jī)理進(jìn)行對(duì)比．設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)的壓力P分別為4、5、6 MPa;燃空當(dāng)量比Φ分別為0.5,1.0,1.5;溫度范圍為750～1 400 K．

圖6是基于Closed Homogeneous Reactor的詳細(xì)機(jī)理與簡(jiǎn)化機(jī)理在不同工況下的點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)比圖．

圖6 不同工況下甲烷簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)比Fig.6 Comparison of ignition time between reduced mechanism and detailed mechanism of methane under different working conditions

從圖6可以看出,在不同工況下,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期雖然存在偏差,但都在初始設(shè)定的精度范圍內(nèi),且變化趨勢(shì)與詳細(xì)機(jī)理一致;從圖6(a、b、c)可以看出,壓力不變時(shí),隨著當(dāng)量比的減少,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期變化曲線(xiàn)越來(lái)越吻合；從圖6(d、e、f)可以看出,當(dāng)量比不變時(shí),隨著壓力的降低,簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理滯燃期變化曲線(xiàn)越來(lái)越吻合．說(shuō)明簡(jiǎn)化機(jī)理在低當(dāng)量比和低壓條件下對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻的預(yù)測(cè)更好．但總體來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化機(jī)理能替代詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值計(jì)算．

3 缸內(nèi)工作過(guò)程驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該策略下進(jìn)行簡(jiǎn)化得到的簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)缸內(nèi)工作過(guò)程的適用性,文中選擇滯燃期誤差比較大的正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理(包含165組分和695步基元反應(yīng))與CFD軟件ANSYS-FORTE進(jìn)行耦合,并基于R12V280ZC柴油機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5),對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間,計(jì)算過(guò)程中不考慮進(jìn)排氣的影響,只建立燃燒室模型．由于該發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器上有8個(gè)均勻分布的噴嘴,因此只需建立1/8的燃燒室模型,表6為發(fā)動(dòng)機(jī)初始條件和邊界條件的設(shè)置,圖7為氣缸處于進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻時(shí)的燃燒室模型及其網(wǎng)格劃分，圖8為模擬缸壓曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖．

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)模擬參數(shù)Table 5 Structural parameters of dual fuel engine

表6 邊界條件與初始條件的設(shè)置數(shù)Table 6 Setting of boundary conditions and initial conditions

對(duì)于模擬過(guò)程中所選用的計(jì)算模型,湍流模型選擇的是RNGk-ε模型．選擇KH-RT模型對(duì)噴霧霧化和液滴破碎進(jìn)行模擬．選擇Kong模型模擬湍流與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用．

圖7 燃燒室模型及其網(wǎng)格劃分Fig.7 Combustion chamber model and its meshing

從圖8可以看出,模擬壓力曲線(xiàn)到達(dá)峰值的時(shí)刻(上止點(diǎn)后5.1℃A)比實(shí)驗(yàn)壓力曲線(xiàn)(上止點(diǎn)后6.9℃A)到達(dá)峰值的時(shí)刻略早,且模擬壓力曲線(xiàn)峰值(7.88 MPa)也略高于實(shí)驗(yàn)壓力曲線(xiàn)(7.79 MPa),這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)試期間，實(shí)驗(yàn)效果和儀器測(cè)量結(jié)果使得實(shí)測(cè)曲線(xiàn)存在震蕩,最終導(dǎo)致實(shí)測(cè)缸壓到達(dá)峰值時(shí)刻產(chǎn)生了滯后且偏低,但總體上看實(shí)驗(yàn)壓力曲線(xiàn)與模擬壓力曲線(xiàn)吻合程度較好,模擬峰值時(shí)刻約提前了0.64%,峰值誤差約為1.13%,從缸壓曲線(xiàn)上觀(guān)察滯燃期的模擬情況與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合．

圖8 模擬缸壓曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖Fig.8 Comparison chart of simulated cylinder pressure curve and experimental value

圖9是詳細(xì)機(jī)理耦合CFD對(duì)該機(jī)型運(yùn)算所得缸壓曲線(xiàn)和簡(jiǎn)化機(jī)理運(yùn)算所得缸壓曲線(xiàn)對(duì)比圖,在計(jì)算過(guò)程中,使用的計(jì)算機(jī)配置以及分別使用文中簡(jiǎn)化的正庚烷機(jī)理和正庚烷詳細(xì)機(jī)理LLNL3.1對(duì)R12V280ZC柴油機(jī)進(jìn)行計(jì)算所需時(shí)間如表7,從圖9可以看出,詳細(xì)機(jī)理計(jì)算峰值為7.73 MPa,簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理峰值誤差為1.94%,而從簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理計(jì)算的時(shí)間來(lái)看,使用簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算,可以節(jié)約近81%的模擬時(shí)間．

圖9 詳細(xì)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理模擬缸壓對(duì)比圖Fig.9 Detailed mechanism and simplified mechanism simulation cylinder pressure comparison diagram

表7 計(jì)算機(jī)配置和計(jì)算時(shí)間

綜上所述,文中所提簡(jiǎn)化機(jī)理不僅具有良好的模擬精度,同時(shí)節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間．

4 結(jié)論

文中提出閾值逐漸增大進(jìn)行多步簡(jiǎn)化,同時(shí)交叉使用多種簡(jiǎn)化方法的機(jī)理簡(jiǎn)化策略,并將其分別應(yīng)用于正庚烷詳細(xì)機(jī)理LLNL3.1和甲烷詳細(xì)機(jī)理GRI3.0簡(jiǎn)化,將LLNL3.1簡(jiǎn)化至包含162組分和692步基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理其滯燃期最大偏差為29.7%,將GRI3.0簡(jiǎn)化至包含26組分和122步基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理其滯燃期最大偏差為9.48%,并通過(guò)擴(kuò)大工況范圍,對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證,正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理的最大誤差均在30%以?xún)?nèi),甲烷簡(jiǎn)化機(jī)理的最大誤差也均在10%以?xún)?nèi),符合初始設(shè)定的30%誤差,并所得如下結(jié)論:

(1) 文中提出的機(jī)理簡(jiǎn)化策略,能夠很好地適用于組分和基元反應(yīng)相差很大的詳細(xì)機(jī)理的簡(jiǎn)化．

(2) 在進(jìn)行初步機(jī)理簡(jiǎn)化時(shí),選擇一種簡(jiǎn)化方法,閾值從小到大設(shè)置形成多步簡(jiǎn)化,比選取較大閾值進(jìn)行一次簡(jiǎn)化所得到的簡(jiǎn)化機(jī)理精度更高．

(3) 采用文中簡(jiǎn)化策略得到的正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理在與CFD耦合后模擬出的缸壓曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)壓力曲線(xiàn)與模擬壓力曲線(xiàn)吻合程度較好,模擬峰值時(shí)刻約提前了0.64%,峰值誤差約為1.13%,模擬曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)吻合度較好,用于缸內(nèi)工作過(guò)程的計(jì)算時(shí),不僅保證了模擬精度而且節(jié)約了計(jì)算時(shí)間,進(jìn)一步驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化策略的適用性．