生物柴油的化学反应机理与燃烧特性研究

In order to know the detailed combustion characteristics of biodiesel, a surrogate fuel model and detailed reaction mechanism for biodiesel will be developed based on the analysis of the methyl ester and ethyl ester mechanism for high pressure combustion and extinction, besides that, a dynamic adaptive chemistry method with error control and a hybrid multi time scale scheme will be developed to model the combustion process of biodiesel. Firstly, the surrogate fuel model of biodiesel will be built and the results of ignition, extinction and flame speed characteristics will be verified by the high pressure counter-flow flames experiment and spherical combustion bomb using pure fuel, mixture or real biodiesel; then the detailed reaction mechanism of surrogate fuel of biodiesel will be built; after that, a dynamic adaptive chemistry method with error control and a hybrid multi time scale scheme will be developed; finally, the modeling results will be compared with experimental results to verify the mechanism and the model. This work can not only provide a new and validated combustion mechanism for biodiesel research which can be used to analyze its detailed combustion properties, but also bring a new ideal and modeling scheme to deal with complex and alternative fuels.

为了深刻认识生物柴油的燃烧特性，利用实验和数值模拟的方法研究甲酯和乙酯高压燃烧和灭火规律，进而建立生物柴油替代燃料模型和燃烧过程的详细化学反应动力学机理，并且发展精度可控的动态自适应机理方法和混合多时间尺度的算法。首先，建立生物柴油的替代燃料模型并对其组分、混合物和真实生物柴油利用高压对冲扩散火焰和球形火焰测量其着火、灭火和火焰传播速度等燃烧特性；然后，建立生物柴油替代燃料的详细化学反应机理；发展基于路径通量分析法的精度可控的动态自适应机理方法和混合多时间尺度模拟方法；最后，通过模拟结果与实验结果的对比，验证和改善生物柴油的替代燃料模型和反应机理。本课题为生物柴油的研究提供新的实验数据和通过验证的反应机理，为深刻认识生物柴油的燃烧特性奠定基础；并且，开创的新的机理简化方法和数值计算方法将对复杂燃料燃烧过程的模拟和新型燃料的探索提供新的方法和思路。

作为一种可再生的新型燃料，生物柴油得到了广泛的重视，并已被逐渐推广使用。然而由于其成分的复杂性，生物柴油的动力学机理常常难以获得，为此，严重制约了生物柴油生产工艺的优化和新型高效燃烧设备的开发。在该背景下，本项目以典型生物柴油的主要组分和燃烧特性为基础，寻求构建反映真实生物柴油燃料燃烧动力学特性的模型构建方法；采用所构建的机理模型，结合新发展的高效机理简化方法完成生物柴油反应流过程的详细分析。通过大量的理论和试验研究，本课题组首次提出了基于官能基团的模型燃料构建方法，并已成功用于多种生物燃料和常规燃料的机理构建。测试结果表明，与其他方法相比，该方法具有基本组分少、参数吻合程度高和适应性广等突出的优点。由于生物柴油动力学机理的复杂性，常规的机理简化方法难以得到有效的简化机理。本课题组在路径通量机理简化方法PFA的基础上，发展了多代PFA方法，并将PFA方法与成熟的敏感性分析法进行有机结合提出了PFASA机理简化方法。新型机理简化方法PFASA，在保证反应流模型精度的前提下，大大提高了机理简化的程度，能有效地用于生物燃料机理及其他大型机理的简化。本课题组通过官能基团法已经发展了多种真实生物柴油的详细机理，并利用PFASA机理简化方法获得了大量的可用于不同场合反应流模拟的简化机理，为复杂燃料动力学机制的认识和工业分析创造了条件。低温燃烧系统设计和优化结果证明了本项目所提出的机理构建、简化和模拟方法的正确性和实用性。本项目所获得的研究成果，不仅能促进生物柴油动力学理论的研究，还能有效用于相关工艺过程的优化和高效、清洁燃烧设备的研发；模型燃料机理构建和机理简化方法还可用于其他高碳复杂燃料的模型构建和计算分析。