使用STAR-CCM+了解燃烧过程中的详细化学反应

近年来，内燃机乘用车的排放性能和循环工况测量在媒体上制造了大量的“烟雾”。讨论突出了减排和绩效的重要性，也揭示了这项工作的巨大挑战。如果世界上一些最大的汽车制造商努力达到排放限制，很明显，没有一个简单的解决方案。

排放是化学过程的副产品，要了解、预测和设计符合要求的车辆，潜在的化学途径需要被很好地理解．本文的目的是介绍可用的工具，使工作的理解和预测化学更容易和更直接。这是一个关于简的故事，一个虚构的故事燃烧室设计工程师华体会官网app下载书中描述了她每天面临的挑战。

简是一位燃烧工程师，也是STAR-CCM+的用户华体会官网app下载

Jane是一名新入职的公司设计工程师，该公司刚刚开始将CFD应用华体会官网app下载于其开发项目的主要部分，燃烧室的设计就是其中之一。简的第一个任务是调查和改进天然气燃烧器的设计。使用STAR-CCM+®，她能够设置几何和物理，选择标准的涡流分解(EBU)燃烧模型．她决定保持简单，只模拟一个整体反应，这是一个很好的起点，因为她面临着来自管理层的很大压力，要求她快速完成工作。她得到了一个流场和温度场，并验证了所得结果的准确性。接下来，她开始了与Optimate+的设计工作^TM，她能够通过优化燃油喷嘴的位置来自动改进设计。

然后，几天后，实验室的一位科学家告诉她，她正在设计的燃烧器对不同质量的天然气表现不同。她想知道她是否需要考虑一个更复杂的方法，并开始问问题……

为什么燃烧器对不同的天然气质量表现不同?

不同性质的天然气含有不同数量的较大的碳氢化合物。优质天然气主要由甲烷组成，而劣质天然气则含有少量的乙烷、丙烷和丁烷．较大的碳氢化合物比甲烷更容易分解，因此低质量的天然气燃烧得更快。

提前点火如何影响整体燃烧行为?

为了理解这一点，Jane在一个孤立的环境中研究了化学效应，消除了流场的影响。她发现她可以使用dar来完成这一任务。DARS是CD-adapco的一个独立工具，用于分析零d和一维理想反应器中的化学反应。该工具可以读取和分析化学反应方案，例如后处理系统中的碳氢化合物燃烧和催化过程。

简打开DARS，在DARS提供的标准天然气化学中读取。然后她将几个不同的反应器连接到读取机制模块:

自由传播的火焰:该模块计算层流火焰速度，层流火焰速度是火焰传播和燃烧行为的重要属性。该模块还可以计算火焰中的物种分布和温度。
恒压:该模块计算了均匀恒压条件下自燃事件的点火延迟时间、物种分布和热力学性质。它也可以用来计算排放产量。
小火焰单元库:该模块计算扩散火焰的种类和温度分布。它还计算了灭绝极限。
平衡:该模块计算平衡物质和温度。

对于每个模块，简在DARS中尝试了两种不同的燃料质量:

用纯甲烷模拟高质量的天然气，
甲烷与百分之几的较大的碳氢化合物(C2-C4)混合。

她首先计算了一系列等效比的层流火焰速度。层流火焰速度是在预混条件下自由传播火焰的速度。她发现，低质量混合物的火焰速度大约快1厘米/秒。她思考这对她的设计是否有影响。

更快的火焰速度对燃烧器意味着什么?

简认为这增加了在燃烧室里闪回的风险。她还指出，在非常稀薄的条件下，纯甲烷燃料的速度比低质量燃料慢14%左右，这表明高质量天然气更容易发生稀薄吹出。

为了理解扩散燃烧下的行为，她为每种燃料成分计算了一个小火焰库。小火焰是一种理想的层流扩散火焰，小火焰库是一组具有不同标量耗散(混合)速率的小火焰．她观察到，在高标量耗散率下，低质量燃料的火焰内最高温度要高出约30K。这使得优质的天然气火焰更容易熄灭;她指出，低质量燃料的消光标量耗散率为41/s，高质量燃料的消光标量耗散率为35/s。消光标量耗散率是扩散火焰被吹灭时的混合速率。这表明，对于优质天然气，井喷更为常见。

Jane通过计算点火延迟时间来了解可燃性并评估燃烧室混合区预燃的趋势。她创建了一个参数扫描(在DARS中称为多运行)，以甲烷为燃料，在给定入口温度和环境压力的情况下，扫描燃料-空气等效比的整个范围。几秒钟后，计算就完成了，她可以看到混合物的点火。她指出，低质量天然气的点火时间缩短了约25%，这增加了混合区预燃的风险．

通过平衡计算，她观察到低质量天然气的绝热火焰温度比高质量天然气的绝热火焰温度高5K左右。看到燃料成分的变化对燃烧行为的影响很小，她明白她需要继续在CFD模拟中进行研究，以量化对燃烧器行为的影响。她现在需要弄清楚如何做到这一点和奇迹……

如何在CFD计算中考虑不同的混合燃料?

简发现她可以通过使用STAR-CCM+中的火焰生成歧管(FGM)模型，其中包括完整详细的有限速率化学，而不影响执行速度。通过为每种燃料混合物创建一个FGM库来考虑不同燃料混合物的影响。FGM库是由详细的化学反应生成的。

如何为STAR-CCM+的燃烧室条件获得FGM库?

简发现她也可以用dar来做这件事。她打开DARS项目，将FGM库生成模块拖到工作台，设置计算并运行库生成。她为不同的天然气混合物创建了一套FGM库，并将其用于CFD计算，将不同的燃料质量添加到她的Optimate+优化中。她找到了一种同样适用于低质量天然气的设计，并将其交付给实验室工程师进行测试。华体会官网app下载

在这次更新之后，她的同事们对这种变化的行为非常感兴趣，想要了解为什么会发生这种情况。

如何了解不同燃料混合物的影响?

为了做到这一点，她只使用低质量的天然气和甲烷重新运行均匀恒压反应堆，并检查物种敏感性分析。纯甲烷燃烧的结果如下:

正如预期的那样，甲烷和氧气是燃烧过程中的主要物质。然后，她对低质量天然气进行了同样的敏感性分析:

丙烷只占燃料混合物的1.5%，但对燃烧的影响几乎和甲烷一样大。丁烷仅占混合物的0.3%，对燃烧也有显著影响．这表明较大的碳氢化合物具有较大的影响。为了了解这种行为背后的反应，她检查了它们的敏感性。她注意到丙烷和丁烷解离是两个非常重要的过程，除了氧化反应:

利用敏感性分析、点火延迟时间图和CFD模拟，Jane现在掌握了她需要的所有材料，可以向她的同事解释在这个过程中会发生什么。

过了一会儿，实验室工程师回来问她关于排放物的问华体会官网app下载题。在一些负荷点，二氧化碳排放量高得令人无法接受。她准备好迎接下一个挑战了吗?

如何改善排放性能?

为了更好地了解CO的排放，Jane启动了DARS，并在恒温下运行了一组均质恒压反应堆，创建了一个排放图:

在这张图中，她可以看到不同燃料-空气当量比和不同温度下的CO产量。对比CFD中的混合气分数和温度流场，她发现在同事指定的负荷范围内，她的燃烧室在靠近燃料出口的一些富油区进入CO屈服区．她需要改善这些区域的混合，从而为下一个优化循环设置这些区域的最大等效比的约束。她设法以一定的效率损失来减少CO，并且可以研究CO排放与效率之间的权衡。为了进一步了解CO的产率，她将CO添加到她的女性生殖器切割文库生成的后处理物种中，并重新生成女性生殖器切割文库。现在她可以在CFD模拟中直接研究CO产率。 $CO mass fraction field in glass furnace simulation using the FGM combustion model$

最后，为了充分了解详细化学的影响，她选择了其中一个案例，并在STAR-CCM+中应用Complex chemistry对DARS中使用的化学机制进行了完整的CFD模拟。这可以作为比较其他燃烧模型的一个很好的基准。她说服了她的经理，尽管这些模拟需要更长的时间来完成，但它们将提供更好的准确性。毕竟，公司不想因为不遵守规定而被叫停。更长的计算时间可能只是一个很小的代价。

除了执行本文中描述的复杂化学计算外，DARS还可用于: