发动机燃烧数值模拟的在线动力学建模方法

Combustion numerical simulation of aircraft engine is the combination of personalized reaction mechanism and general flow-controlled equation resolver. Current simulation software contain few simple models of overall reaction and perform computation of thermodynamics characteristics for stable combustion. These programs can only provide input interface of finite reaction rate mode for higher reaction resolution demand of combustion simulation. Due to the strong professionalism and complexity of chemical reaction kinetics modeling, the reaction kinetics with high resolution are becoming the bottleneck of combustion numerical modeling in engine. The project aims at building personalized online kinetics modeling method of aviation fuels, based on the investigation of transferable combustion core mechanism and construction of combustion database for big molecules. The contents include: 1) Against the excessive statement of temperature effects of pre-exponential factor in current combustion reaction mechanism, the project performs classification and standardization of kinetics parameters, investigation of non-elementary reactions of small molecules, solving the problem for poor transferability of core mechanism and data confusion; 2) Construction of reaction data base for aviation fuels by implementation of data mining and quantum chemical simulation of big molecule reactions; 3) Establishments of pretreatment mode for numerical simulation of combustion reaction kinetics based on fuel substitutes, automatic generation and reduction of reaction mechanism. In summary, the project will build online kinetics modeling method, and realize the online modeling of reaction kinetics for combustion numerical simulation of personalized fuels.

航空发动机燃烧数值模拟是个性化燃烧反应机理和通识化流动控制方程解算器的结合。目前的燃烧模拟软件只提供总包反应等简单模型，一般只能实现热力特性计算。对更高的燃烧数值模拟需求，程序仅提供有限反应速率模型输入接口。由于化学反应动力学建模的高度专业性，获得高分辨率的燃烧反应机理成了发动机燃烧数值模拟的瓶颈问题。本项目基于可迁性的燃烧核心机理研究和大分子燃烧反应数据库构建，建立燃料个性化在线动力学建模方法。内容包括：1）针对当前燃烧机理夸大指前因子温度效应问题,发展分类动力学参数化方案，研究小分子非基元反应，建立规范化动力学参数体系，解决燃烧核心机理可迁性和兼容性差的问题；2）结合燃料大分子反应参数的理论计算和数据挖掘，构建航空燃料反应数据库；3）基于燃料组分替代、机理自动生成和自动简化，建立燃烧反应动力学前处理程序。研究将建立燃烧反应机理的参数化新方法，实现燃烧数值模拟个性化燃料的在线动力学建模。

现行燃烧反应机理存在机理构建任意性大，动力学三参数物理意义缺失，物种数和反应数过于庞大难以适应工程需要等问题。本项目基于化学同时平衡原理，根据实际需要确定燃烧机理分辨率及物种数、进而确定独立反应数、然后通过整体动力学参数优化，构建了新型燃烧机理CKL，该机理覆盖了多燃料的裂解、高低温燃烧、NOx、结焦等功能，机理包含约150个化学物种和约300个基元步骤，基元反应均为可逆反应和动力学双参数形式；另外本项目按计划发展了燃烧数值模拟的在线动力学建模方法。. 本项目取得以下主要成果：（1）通过基元步骤速率常数的双参数化，回归表征反应速率常数的活化能和指前因子的物理本质，推进机理的“标准化”。（2）基于复杂化学反应的同时平衡原理和化学势判据，确定描述复杂燃烧反应体系化学平衡状态所需的最小化学反应数目，提出了极小化反应网络方法。（3）结合燃料大分子反应参数的理论计算和数据挖掘，构建了航空燃料反应数据库。（4）开发了燃烧机理在线动力学建模方法，建立了用户燃料燃烧机理的在线计算平台，形成了燃烧机理的在线计算方法和用户自定义机理在线建模环境。. 项目发表文章33篇，培养博士生7人（已毕业4人），硕士生12人(已毕业7人)。项目执行期间承办学术会议三次。项目负责人受邀大会报告五次。在项目资助下，建起全国首个燃烧动力学平台，获准建设了“空天动力燃烧与冷却教育部工程研究中心”。本项目研究已经按预定计划很好地完成，达到了项目的预期目标。.