Разработка метода сокращения механизмов реакций и анализ чувствительности для моделирования процессов горения в энергоустановках

• Автор: Никандрова, Марина Викторовна
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 125 с. : ил.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования

1.1. Актуальность проблемы моделирования процессов горения

1.2. Уравнения формальной химической кинетики и методы их решения

1.3. Методы анализа чувствительности

1.4. Методы сокращения механизмов реакций

1.5. Постановка задачи

2. Разработка метода сокращения механизма реакций и анализ чувствительности

2.1. Модель реактора идеального смешения и метод решения

2.2. Алгоритм определения коэффициентов чувствительности

2.3. Метод “зацепления” для сокращения механизма реакций

3. Программное обеспечение и формирование полного механизма реакций

3.1. Описание программного комплекса
3.2. Апробация модели реактора и метода определения коэффициентов чувствительности
3.3. Формирование полного механизма реакций для реагирующей среды
“Н + О + Б + (IУ)”
4. Генерация и исследование сокращенных механизмов для реагирующей среды “Н + О + Б + (И)”
4.1. Анализ чувствительности для полного механизма реакций
4.2. Формирование и исследование ЬБ - механизмов
4.3. Формирование ОБ - механизмов для реагирующей смеси “Н28 + воздух”
4.4. Апробация ОБ - механизма на задаче о фронте пламени
4.5. Анализ чувствительности для сокращенного механизма
Заключение
Литература

Уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями, автомобильным транспортом и т.д. является одной из важнейших проблем на сегодняшний день. Кроме того, актуальной является проблема сокращения расхода топлива на транспорте и в энергетических установках. Чтобы отвечать предъявляемым требованиям по экономичности и экологичности, необходимо оптимизировать процессы горения в высокотемпературных агрегатах. Желательно это осуществлять на стадии проектирования, путем математического моделирования. Такой подход является оптимальным не только с точки зрения удобства, но и с финансовой стороны. Описание процессов протекающих в таких установках затрагивает кинетику химических реакций, а следовательно предполагает работу с большими и сложными реакционными механизмами, включающими сотни реакций и десятки веществ. Моделирование, а также анализ таких механизмов является весьма сложной проблемой, которая влечет за собой ряд других задач, таких как развитие методов по сокращению механизмов, анализ чувствительности относительно констант скоростей химических реакций и т.д. Особое значение придается возможности внедрения таких разработок в программные оболочки, отвечающие не только простоте и удобству использования, но и современным тенденциям в компьютерных технологиях.
Предметом исследования настоящей диссертации является развитие математического моделирования химически неравновесных процессов в части создания метода по сокращению сложных реакционных механизмов и “технологии” анализа чувствительности.
В первой главе рассмотрена актуальность проблемы моделирования процессов горения в высокотемпературных установках. Представлен обзор моделей горения основанных на формальной химической кинетике. На основе обобщения литературных данных показана общая ситуация по вопросу анализа чувствительности реагирующей среды по отношению к изменению
констант скорости химических реакций, а также по методам сокращения сложных механизмов реакций.
Во второй главе на основе уравнений химической кинетики в экспоненциальной форме была сформирована модель реактора идеального смешения. Был развит аналитический метод определения коэффициентов чувствительности газофазных реакций. Для сокращения сложных механизмов реакций газофазного горения был разработан метод “зацепления”, позволяющий формировать скелетные механизмы (Б - механизмы) с различной степенью приближения к полному механизму. В отличие от ранее известных подходов, данный метод генерирует достаточно компактные Б - механизмы как для одного режима горения (ЬБ - механизм), так и для заранее заданной области режимов (в Б - механизм).
В третьей главе описан используемый программный комплекс, состоящий из двух инвариантных программ 1ИБЫЕ¥ и ШБТУ. В программе ШБМ^ был реализован метод определения коэффициентов чувствительности. Данный метод был апробирован путем сравнения выполненных расчетов для реагирующей среды “Н + О” с ранее известными данными. В свою очередь разработанный метод “зацепления” был внедрен в инвариантную программу расчета реактора идеального смешения (МБТУ). На основании обобщения данных из ряда известных работ, для смеси “Н + Б + О + (У)” был сформирован полный реакционный механизм горения (С - механизм), содержащий 25 веществ и 118 обратимых реакций.
Четвертая Глава IIосвящена численным исследованиям. В частности были проведены расчеты:
- по определению массива коэффициентов чувствительности для полного механизма реакций;
- по формированию сокращенного ЬБ - механизма реакций;
- по формированию ОБ - механизмов (при различных показателях сокращения) для заданной области изменения: коэффициента соотношения компонентов, температуры, давления;

Сокращение С - механизма можно проводить в рамках различных схем горения: Р,Т= const, адиабатический реактор, реактор идеального смешения, фронт пламени, но необходимо отметить, что результат (т.е. S - механизм) практически не зависит от типа применяемой схемы [76]. В настоящей диссертации (как и в большинстве исследований по этой тематике) S - механизм создается для условий реактора идеального смешения, поскольку сокращение механизма необходимо, главным образом, для 2х и 3х - мерных течений. Обычно такие течения представляются набором взаимосвязанных ячеек и каждая из них рассматривается как реактор идеального смешения (РИС). Уравнения химической кинетики для этого реактора будем применять в экспоненциальной форме (2.12, 2.15).
Обычно в алгоритмах сокращения механизма используется понятие скорости Wtj, которая характеризует изменение концентрации /-го вещества в
/-ой реакции, и чем больше значение Wtj, тем выше вероятность включения
у'-ой реакции в S - механизм. В настоящей работе вместо этой скорости используется пропорциональная ей величина v,yQ., связанная с WtJ по формуле:
Wj=Vj QyC, (2.38)
где С - общая концентрация реагирующей среды.
В правых частях уравнений (2.12) только сумма ^]v.fiy зависит от
скоростей химических реакций и каждая 5-ая обратимая реакция отражается в этой сумме двумя слагаемыми: v,yQy (j = s, для прямого направления),
viyQj (j = s + mc, для обратного направления). Если вклад этих слагаемых
значителен, то 5-ая реакция должна быть включена в S - механизм. Этот вклад можно определить различными способами, например по отношению к максимальному абсолютному значению слагаемого |v,yQy| в сумме ^vyQ7.
Тогда можно ввести понятие “показатель сокращения механизма” - £, который определяет степень сокращения С - механизма реакций. Значение пока-