摘 要

正庚烷是一种16烷值与柴油十分接近的单组分燃料，常被用作柴油的单组分替代燃料来进行研究。燃烧过程与排放密切相关，为了应对越来越严格的排放法规，需要对燃烧过程有充分的认识。在进行数值模拟时，详细机理能准确模拟燃烧过程，但其规模较大且面对多维模型时计算量庞大或无法计算，因此本文对正庚烷详细机理进行了系统简化，通过DRGEP方法，将正庚烷详细机理由654种组分，2827个基元反应简化到了只有244种组分，1051个基元反应的规模，并通过重要组分浓度和点火延迟时间验证了简化机理的可靠性。

关键词：正庚烷；数值模拟；简化；DRGEP

ABSTRACT

N-heptane is a single-component fuel with a Cetane Number very close to diesel, and is often used as a single-component alternative fuel for diesel for research. The combustion process is closely related to emissions. In order to cope with the increasingly strict emission regulations, a full understanding of the combustion process. In the numerical simulation, the detailed mechanism can accurately simulate the combustion process, but its scale is large and the calculation amount is too large or impossible to calculate when faced with the multi-dimensional model. Therefore, this paper systematically simplified the detailed mechanism of n-heptane. The detailed mechanism of n-heptane is 654 kinds of components, 2827 elementary reactions are reduced to only 244 components, and the scale of 1051 elementary reactions. The reliability of the simplified mechanism is verified by the concentration of important components and ignition delay time.

Keywords: n-heptane; numerical simulation; simplification; DRGE

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章：绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1简化方法研究现状 2

1.2.2正庚烷机理研究现状 4

1.3 本文研究内容及技术路线 5

1.4 本章小结 5

第2章：化学反应动力学理论及数值计算方法 7

2.1化学反应动力学理论 7

2.1.1化学反应动力学 7

2.1.2化学动力学机理 7

2.2数值计算方法 7

2.2.1充分搅拌反应器 8

2.2.2零维均质闭式反应器 8

本章小结 10

第3章：正庚烷氧化特性研究及机理简化和验证 11

3.1重要组分浓度与温度关系 11

3.2简化计算 12

3.2.1目标参数及工况选取 12

3.2.2简化流程 12

3.2.3阈值与简化机理规模和精度的关系 14

3.3简化结果验证 16

3.3.1重要组分浓度验证 16

3.3.2点火延迟时间验证 18

本章小结 20

第4章：简化机理与HCCI发动机CFD模型的耦合 20

4.1耦合流程 21

4.2耦合结果分析 21

4.3结论 23

本章小结 23

总结与展望 24

参考文献 26

致谢 28

第1章：绪论

1.1 研究背景及意义

内燃机的性能与燃烧过程有着密切的联系。随着排放法规越来越严格的要求，对内燃机的性能进行优化，以提高内燃机的燃烧效率，实现清洁排放，具有重要的实际意义。国家四部委最近发布了“关于轻型汽车排放标准实施的公告”，其中明确指出，从2020年7月1日起，全国范围内实施国六排放标准，禁止生产国五排放车辆，同时进口车俩也必须满足国六标准。

内燃机主要可分为点燃式内燃机和压燃式内燃机，为了适应越来越严格的排放法规，学者们又提出了几种新型的内燃机燃烧方式，如预混充量压缩燃烧（Premixed Charge Ignition）均质充量着火燃烧（Homogeneous Charge Compression Ignition）,以及反应可控压缩着火（Reactivity Controlled Compression Ignition）等^[1]，以实现内燃机的高效清洁燃烧。这是通过改变内燃机的燃烧方式以达到清洁排放的要求，这不仅需要对内燃机的结构进行优化，还需要对燃料的燃烧特性有充分的认识。目前，对燃料燃烧特性的研究设备主要为发动机台架，但发动机台架存在体型较大，实验的成本较高，研究结果不完全，并且需要操作者有一定的操作经验，因此操作难度大。因此发动机台架并不适用于燃烧特性的理论研究，而实验室中常见的研究方法是将燃料的化学动力学机理与内燃机CFD模型进行耦合，进行缸内燃烧的数值模拟，这种方法成本低，实验设备占地空间小，具有很好的精度，且操作难度不大，是进行燃料燃烧特性的理论研究的理想方法。

但燃料的详细化学动力学机理往往过于复杂，随着燃料中碳原子数量增加，化学动力学机理中的组分和基元反应数呈现几何数的增长，它们较大的规模经常使它们无法轻松地用于计算，即便是中等复杂的燃烧现象，如不稳定的二维和三维层流火焰^[2]。此外，由于各种组分化学性质的差异，详细机理在燃烧现象模拟中的应用经常导致时间上系统变量的较大差异，最终系统的刚度会大大限制许多快速又简便的数值方法的应用，使问题变得难以解决，因此，需要对详细化学动力学机理进行简化，将详细机理简化到较小的规模和刚度，应用简化机理来进行燃烧现象的数值模拟。

柴油中的组分高达上千种，主要有直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃。柴油的十六烷值是评价其在内燃机中压燃着火的自燃性的性能指标，柴油的十六烷值为40-55，正庚烷的十六烷值为56，与柴油接近，并且正庚烷的化学动力学模型较为完善，因此常作为柴油数值模拟燃烧的单组分模型材料^[3]。

本文主要研究正庚烷的详细化学动力学机理的简化，得到适用于高效准确的数值模拟的简化机理，分析简化阈值对简化机理规模和最大计算误差的关系，并耦合CFD模型，分析简化机理规模对缸内模拟燃烧准确性的影响。

1.2 研究现状

1.2.1简化方法研究现状

详细化学动力学机理的简化方法，其原理是通过合理的数学方法，对燃烧过程影响较小的组分、基元反应将被剔除，保留对燃烧过程起重要作用的组分和基元反应，从而达到删除详细机理中的组分数和基元反应数，得到比详细化学动力学机理规模更小的简化机理的目的。