کاهش مکانیزم واکنش متان به کمک روش کمینه‌سازی خطای شبیه‌سازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بزرگمهر قائنات، قائن، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

کاهش مکانیزم‌های بزرگ یکی از موضوعات مورد علاقه و ضروری در شبیه‌سازی فرایندهای احتراقی است. اهمیت این موضوع از آن جا است که کاهش مکانیزم‌های بزرگ منجر به کاهش زمان و هزینه در شبیه‌سازی‌های احتراقی می‌گردد. هدف اصلی در این پژوهش، کاهش مکانیزم 1359 مرحله‌ای اکسیداسیون متان به روش کمینه‌سازی خطای شبیه‌سازی است. در این روش، فرایند ساخت یک مکانیزم از گونه‌های مهم آغاز می‌شود. به طور عمده با اضافه شدن گونه‌ها که بر اساس نرمالیزه کردن جاکوبی مشخص می‌شوند، چندین مکانیزم پایدار تولید می‌شود. مدل احتراق با هر یک از این مکانیزم‌ها شبیه‌سازی شده و مکانیزمی که خطای کمتر از حد آستانه را تولید کند، انتخاب می‌شود. پارامتر مهم در بررسی دقت مکانیزم‌های کاهشی، تأخیر زمان اشتعال است. نمودارهای رسم شده‌ی تأخیر زمان اشتعال در مدل راکتور همگن با استفاده از نرم افزار شبیه‌ساز احتراق کمکین نشان می‌دهند که مکانیزم‌های کاهشی پیشنهاد شده با دقت خوبی با مکانیزم کامل مطابقت دارد. حداکثر خطا نسبت به مکانیزم کامل برای نتایج مکانیزم کاهش یافته‌ی 10 مرحله‌ای در حدود 12 درصد و برای نتایج مکانیزم‌های کاهش یافته‌ی 100 و 195 مرحله‌ای در حدود 4 درصد می‌باشد. نتایج تأخیر زمان اشتعال در پژوهش حاضر مطابقت خوبی با نتایج عددی و آزمایشگاهی سایر محققین نیز دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Asadi A, Yadegari M. The Study of the Effect of Fuel Dilution in Methane/Air Counterflow Diffusion Flames on the Emission of Environmental Pollutants. Journal of mechanical engineering. 2024, [In Persian].
  • Khadem J, Asadi A. Numerical Study on Counterflow Diffusion Flames of Natural Gas with CO2 Dilution. Fuel and Combustion. 2011;4(2), [In Persian].
  • Asadi A. The Study of the Effect of Lewis Number on the Laminar Diffusion Flames. Journal of mechanical engineering. 2024, [In Persian].
  • Asadi A, Khadem J. The Numerical Study of Extinction Limits and Structure of H2/O2 Counterflow Diffusion Flame with Ar and He Dilution. Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics. 2013;24(2), [In Persian].
  • Turanyi T. Reduction of large reaction mechanisms. New journal of chemistry (1987). 1990;14(11):795-803.
  • Zheng X, Lu T, Law C. Experimental counterflow ignition temperatures and reaction mechanisms of 1, 3-butadiene. Proceedings of the Combustion Institute. 2007;31(1):367-75.
  • Lu T, Law CK. Strategies for mechanism reduction for large hydrocarbons: n-heptane. Combustion and flame. 2008;154(1-2):153-63.
  • Pepiot-Desjardins P, Pitsch H. An efficient error-propagation-based reduction method for large chemical kinetic mechanisms. Combustion and Flame. 2008;154(1-2):67-81.
  • Asadi A. A New Reduced Mechanism for Methane Oxidation. Journal of mechanical engineering. Journal of Mechanical Engineering. 2024.
  • Castellani S, Andreini A, Meloni R. Development of a Virtual Chemistry Reaction Mechanism for H2/CH4 Turbulent Combustion Modelling. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2025;147(4).
  • Zhong F, Li Q, Ding X, Liu X, Li B, Yu Z. Experimental and chemical kinetics analysis on the combustion behaviors and flame instabilities of diluted methane/air mixtures. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024;1;232:125957.
  • Kamma P, Promtong M, Suvanjumrat C. Development of a reduced mechanism for methane combustion in OpenFOAM: A computational approach for efficient and accurate simulations. International Journal of Thermofluids. 2024;1;22:100654.
  • Liu Y, Babaee H, Givi P, Chelliah HK, Livescu D, Nouri AG. Skeletal reaction models for methane combustion. Fuel. 2024;1;357:129581.
  • Zhao Q, Liu X, Jiao A, Xu H, Liu F, Liao X. A simplified mechanism of hydrogen addition to methane combustion for the pollutant emission characteristics of a gas-fired boiler. International Journal of Hydrogen Energy. 2024 Jan 2;49:1376-90.
  • Hakimov K, Arafin F, Aljohani K, Djebbi K, Ninnemann E, Vasu SS, Farooq A. Ignition delay time and speciation of dibutyl ether at high pressures. Combustion and Flame. 2021 Jan 1;223:98-109.
  • Wang Y, Han HS, Sohn CH. A Comparative Study of Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion of Methane/Hydrogen/Air Mixtures. International Journal of Aeronautical and Space Sciences. 2024;25(2):519-39.
  • Jozefik Z, Harvazinski ME, Sankaran V, Dammati SS, Poludnenko AY, Lu T, et al. Modeling of high-speed, methane–air, turbulent combustion, Part I: One-dimensional turbulence modeling with comparison to DNS. Combustion and Flame. 2024;263:113379.
  • Xu R, Dammati SS, Shi X, Genter ES, Jozefik Z, Harvazinski ME, et al. Modeling of high-speed, methane-air, turbulent combustion, Part II: Reduced methane oxidation chemistry. Combustion and Flame. 2024;263:113380.
  • Liberatori J, Malpica Galassi R, Bianchi D, Nasuti F, Valorani M, Paolo Ciottoli P. Family of Skeletal Reaction Mechanisms for Methane–Oxygen Combustion in Rocket Propulsion. Journal of Propulsion and Power. 2024;40(2):303-19.
  • Liberatori J, Malpica Galassi R, Valorani M, Ciottoli PP, editors. CSP-driven optimization of a 16-species skeletal mechanism for methane ignition at high pressure. AIAA SciTech 2023 Forum; 2023.
  • Zhao H, Zhao D, Sun D, Semlitsch B. Electrical power, energy efficiency, NO and CO emissions investigations of an ammonia/methane-fueled micro-thermal photovoltaic system with a reduced chemical reaction mechanism. Energy. 2024;305:132248.
  • Pierro M, Laich A, Urso JJ, Kinney C, Vasu S, Albright MA, editors. Ignition delay times of methane fuels at thrust chamber conditions in an ultra-high-pressure shock tube. AIAA SCITECH 2022 Forum; 2022.
  • Nagy T, Turányi T. Reduction of very large reaction mechanisms using methods based on simulation error minimization. Combustion and flame. 2009;156(2):417-28.
  • Ranzi E, Cavallotti C, Cuoci A, Frassoldati A, Pelucchi M, Faravelli T. New reaction classes in the kinetic modeling of low temperature oxidation of n-alkanes. Combustion and flame. 2015;1;162(5):1679-91.
  • Zhou CW, Li Y, Burke U, Banyon C, Somers KP, Ding S, Khan S, Hargis JW, Sikes T, Mathieu O, Petersen EL. An experimental and chemical kinetic modeling study of 1, 3-butadiene combustion: Ignition delay time and laminar flame speed measurements. Combustion and Flame. 2018;1;197:423-38.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار